移动计算机通过CRISPR获得提升

癌症难以捉摸的秘密部分依赖于其神秘的分子历史。

当细胞转向黑暗面时，DNA的旋风逐渐增持。就像超越多个相互连接的光开关一样，细胞逐渐改变其内部分子操作，直到其曾经有益的性质变得恶毒。为什么，何时，以及如何发生这种险恶的转变仍然是未知的，而癌症只会在它经常为时已晚的时候才会出现。

但是，如果有一种方法可以从一开始就捕捉到这种转变呢？

本月，麻省理工学院的一个团队利用DNA的计算能力将其转化为小型机。与其硅片相似，被称为DOMINO的技术允许细胞在其DNA中读取和写入生命事件为单个字母。与破坏大块基因组信息的前几代细胞记录器不同，DOMINO在“位”级别改变数据。这使细胞保持功能，同时大大提高了准确性和存储容量。更重要的是，科学家们可以使用逻辑门对操作进行分层，从根本上将细胞转变为计算能力。

DOMINO的核心是CRISPR基础编辑器，这是一种相对较新版本的基因编辑工具，可以将一个遗传信件精确地换成另一个。将每次交易所视为攻击计算机密钥多路复用交易所可让研究人员在正确的时间以正确的顺序敲击多个密钥，从而将细胞的历史记录直接写入其DNA中。对基因组进行测序然后检索记录，这些记录可以拼凑成一个生物学时间线，就像侦探在复杂的犯罪中编织一系列事件一样。

“我们需要更好的策略来揭示复杂的生物学如何发挥作用，特别是在可能发生多种生物事件的癌症等疾病中，将正常细胞转化为患病细胞，”领导该研究的Timothy Lu博士说。 “这种类型的生物计算是获取和处理信息的一种令人兴奋的新方法。”

为什么是蜂窝录音机？

将细胞转化为分子记录器并不是一个新想法。

一般来说，这是“蜂窝相机”的工作原理。大多数系统依靠触发机制来启动录制过程，有点像使用运动探测器摄像头进行野生动物录像以节省存储空间。当细胞检测到某种生命事件时 – 一种毒素，一种特定的遗传交易所，或其代谢或内部分子的突然变化 – 它会激活“记录器”，这是一种以可预测的方式永久改变细胞DNA的分子工具。 。

通过使用DNA测序读取这些突变特征，研究人员可以梳理出特定事件是否发生。这使得分子记录器对生物技术应用和合成生物学具有极大的价值。例如，细胞可以作为水或土壤中的环境监测装置，以检测和记录污染迹象，例如重金属或农药。

坚固，可扩展的蜂窝记录仪也可以成为生物医学的革命性产品。配备有“记录器”的人类癌症或其他突变细胞可以在细胞生病时提供监视镜头的完整历史记录，包括其分子如何在其信号模式中改变。

神经科学也将获益。例如，我们知道称为MTTP的毒素导致健康神经元以类似于帕金森病患者大脑神经元的方式退化。为他们配备一台蜂窝记录仪，我们终于可以解开导致神经元死亡的分子舞 – 也许还有如何预防它。

但细胞记录仪存在一个巨大的问题：因为它们会永久性地改变DNA，它们会在细胞基因组变得不稳定并杀死细胞之前迅速耗尽带宽。这使得几乎不可能长时间跟踪历史。然后是可读性障碍。大多数细胞记录仪不支持动态监测DNA记忆状态，因为你必须先杀死并破坏细胞。它类似于每次读取数据时粉碎硬盘 – 这不是扩展的好方法。

蜂窝录音机2.0

DOMINO正在解决这些问题。它的秘密？强大的CRISPR基础编辑器。虽然有很多类型，但这里的版本将DNA字母C交易所为T.

将新录音机视为一系列多米诺骨牌。每个部分都有两个组成部分：一个是引导RNA，嗅出的猎犬并将CRISPR机制拉向目标。二，基本编辑器，它是Cas9的一个版本，不会破坏目标DNA序列。与经典CRISPR不同，基础编辑不会切割DNA，并且在基因组上更“温和”。这些更小，更精确的突变也释放出更大的信息存储空间 – 就像从软盘转到TB级外部硬盘一样。存储容量更大，时间线更长。

与以前的系统类似，DOMINO在一个单元格中处于休眠状态，直到特定事件将其超越为止。只有这样才能指导细胞制造其两个成分，以C-to-T交易所的形式将分子事件蚀刻成DNA。

这是一个智能部分：团队然后设计了一个相互关联的系统，以便只有在细胞先前已经发生突变时才会发生后来的突变。就像倒下的多米诺骨牌一样，一个录制事件允许下一个，然后是另一个，依此类推。这会打开DOMINO（恰当地命名，没有？）及时复用事件。 “你可以设计CRISPR指导RNA，你必须编辑一个，然后编辑两个可以发生，然后编辑三个，”Lu解释说。

更重要的是，多种指导RNA可以一起用于监测生物协同作用的不同事件：例如，一种RNA可以“标记”暴露于与癌症相关的一种化学物质，而另一种可以监测不同的化学物质或辐射。这立即使DOMINO成为构建逻辑和存储器操作的强大工具，例如“AND”，“OR”，以及更复杂的时间线事件，例如“IF EVER A AND IF EV B”或“A AND THEN B”或“A”在时间之后X然后B.“你明白了。

研究作者Fahim Farzadfard解释说：“你可以设计系统，使每个输入组合都能给你一个独特的突变特征。” “从那个签名中，你可以分辨出哪些输入组合已存在。”

易读

如果之前的蜂窝录音机遭遇“博彩脸”，那么DOMINO就完全开放了。在这里，研究小组设计了电路，使最终的读数呈绿色发光蛋白。

在显微镜下，科学家们可以立即观察绿色光芒的强度，并快速估计上涨了多少突变，而不会杀死细胞以对其DNA进行测序。更复杂的实验室工具可以定量测量光的强度，以获得准确的读数。这就是我们称之为“非破坏性DNA状态记者”的原因，该团队解释说，这使得该系统在动物模型中更容易扩展和使用。例如，跟踪HIV感染的免疫细胞的记录仪只能在感染的某些阶段产生绿色光，科学家可以通过测量血液样本的光强来监测。

到目前为止，唯一的实验是细菌大肠杆菌和培养的人类细胞的概念验证。但其影响是充足的。例如，DOMINO电路有一天可能会检测到癌症，然后在该特定发育阶段开启产生药物的基因，以对抗特定癌症。

“这些应用程序可能会远离实际使用，但肯定是通过这种技术实现的，”Lu说。

图片来源：麻省理工学院新闻/ CC BY-NC-ND 3.0