一種新的基於DNA的記錄器使生物工程師能夠建立細胞培養物，以檢測其環境中的資訊並存儲起來以供以後使用。這種“設計”細胞將來可能用於監測村莊的水質，或測量一個人攝入的糖量。這項技術在本週的《科學》雜誌上進行了描述。
在合成生物學中，基因被設計成相互調節表達，從而執行類似於計算機電路中的邏輯運算。長期以來，儲存器被認為是實現這項技術前景所需的關鍵元件之一。
“構建基因迴路不僅需要計算和邏輯，還需要一種儲存資訊的方法，” 劍橋市馬薩諸塞理工學院的生物工程師 Timothy Lu 說。“DNA 提供了一種非常穩定的儲存形式，並將使我們能夠執行更復雜的計算任務。”
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在之前的合成生物學嘗試中，資料儲存的建立過程非常繁瑣。它也僅記錄一種特定感官輸入的有無，並且只能用於有限的應用。在最新的論文中，Lu 和他的同事 Fahim Farzadfard 描述了他們如何同時記錄多種型別的資料，並且可以記錄輸入隨時間的累積，就像汽車的里程錶計數公里一樣。然後可以透過 DNA 測序讀出儲存的資訊。他們將他們的方法稱為 SCRIBE，即合成細胞記錄器整合生物事件。
“這是工具箱的一個很好的補充”，它可以補充其他儲存技術，法國蒙彼利埃結構生物化學中心的生物工程師 Jérôme Bonnet 說，他沒有參與這項研究。“合成生物學中存在不同型別的儲存空間——就像在計算中，你有硬碟和 RAM。”
生物儲存器
該團隊關於 SCRIBE 的工作始於三年前，旨在改進基因編輯，其中誘導細胞將新資訊整合到其基因組中。一種看似直接的方法是使用單鏈 DNA 分子。
細菌基因組，如人類基因組，由雙鏈 DNA 分子組成。但是，當單鏈 DNA 在細胞中漂浮時，可以使用來自病毒的酶刺激細菌將其插入其基因組中。然而，大多數細菌不容易製造大量的單鏈 DNA。
Farzadfard 和 Lu 發現了一篇 1984 年關於一種土壤細菌的論文，該細菌包含數百個單鏈 DNA 副本。這種 DNA 是由一種由雙鏈 DNA 組成的自由漂浮結構製造的，稱為逆轉錄子。
這些逆轉錄子的自然生物學功能仍然神秘，但 Farzadfard 和 Lu 意識到他們可以重新程式設計它們以產生編碼他們想要的資訊的單鏈 DNA，並使用病毒酶將其儲存在細菌基因組中。
在他們最新的論文中描述的概念驗證實驗中，該團隊建立了一個大腸桿菌菌落，其中逆轉錄子對化學物質的存在作出反應，翻轉大腸桿菌基因組中的一個開關，使其對抗生素產生抗性。然而，這種轉化並沒有在菌落中每個大腸桿菌細胞內部發生到相同的程度。觸發化學物質的濃度越高，最終對抗生素產生抗性的細胞比例就越大。
與以前充當數字形式儲存器的方法（像燈開關一樣開啟或關閉）不同，SCRIBE 可以作為一種“模擬”形式的儲存器工作，其功能更像是一個調光開關。儲存器不是包含在單個大腸桿菌細胞中，而是包含在整個培養物中。“將儲存器分佈在整個群體中成為一種強大的做事方式。”
Farzadfard 和 Lu 還表明，這種集體細胞儲存器可以被逆轉和重寫，並且透過將光敏蛋白插入基因電路中，甚至可以被光觸發。此外，生物工程師能夠使用細胞一次記錄兩個變數，並認為他們的技術可以很容易地擴充套件以執行更復雜的任務。
基於逆轉錄子的基因編輯技術可能會對合成生物學領域之外產生影響。紐約市紀念斯隆凱特琳研究所的幹細胞生物學家 Danwei Huangfu 設想利用它來調節用於治療糖尿病的移植細胞中的基因表達，或者對胰腺組織進行精確的基因改變，同時保持肝細胞不受影響。“這對我來說似乎非常令人興奮，”她說。
本文經許可轉載，首次發表於 2014 年 11 月 14 日。