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CRISPR技术让细胞播放动态视频

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2017年7月26日 来源:生物通

摘要:

  GIF文件被写入DNA后,一只活细胞回放了这部小电影。美国国立卫生研究院资助的这项最新成就被评价为“分子记录器开发的重要一步”,有朝一日,人们将理解诸如神经元发育时的内部状态变化等实际问题。

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生物通报道:“我们想把细胞变成历史博物馆,”哈佛医学院博后研究员神经学家Seth Shipman博士说。“根据设想,生物记忆系统比现有储存技术更加灵活,它能长时间不受干扰地跟踪许多事件。”

7月12日《Nature》杂志在线播放了这场未来主义“分子电影”。哈佛大学的George Church博士、Jeffrey Macklis博士和Jeff Nivala博士详细证明了这一新兴概念。


研究人员说,能在分子水平上记录视频文件这样的连续事件,是利用分子工程学重现记录的关键。本研究的策略是使细胞自身可以被诱导来记录分子事件,如随时间变化而改变基因表达,然后通过简单的基因组测序来检索储存信息。

“如果我们掌握了这些转录步骤,我们就根据喜好对类似的细胞进行工程编辑,”Shipman补充道。“比如模拟疾病,甚至疾病治疗。”

首先,研究人员必须证明DNA不仅可以用来编码遗传物质,还可以被按任意顺序组合来创造信息。为此,他们使用了CRISPR技术来证明“一只手的图像”能被写成DNA密码,在插入细菌后能被重新检索读取。利用类似的手段,他们又重建了“一个马的动图”(1870s经典动图,动画片的先驱)框架帧。


从静态图像到基因组:图a是预计编码的图像,图b是21种颜色的碱基密码,图c上方序列像素编码和像素值(pixet values),图左侧标记了核苷酸和二进制的转换规则,c图下方的彩色数字指示了位于图片中的单个像素,d图是655360次读取后的复原图。

从GIF动态图到基因组:a图是由5帧图片组成的GIF素材,b图是5天内实现的记录过程纲要,c图是前三位扩展阵列的百分比,d图是准确地回忆像素阅读(X轴)和框架(彩色圆点)功能,每个点代表独立的生物学复制,e图是不同序列深度的结果示范。

先前研究表明,既然细菌可以利用CRISPR储存识别DNA序列来抵御病毒入侵,人类也可以用CRISPR将DNA序列植入细菌细胞。

“CRISPR序列性质让细菌形成了一个长期记录事件的神奇系统,”Shipman解释道。

类似地,研究人员将5帧跑马动图信息翻译成了DNA。5天内,他们依次把5帧DNA植入细菌内部。之后通过细菌DNA测序,以90%的准确率重建了这幅动画。

本文作者研究人员希望用这项前景广阔的技术研究大脑。“我们想用神经元细胞记录大脑发育过程分子史,”Shipman说。“让细胞代替人工手段,去收集大脑每个细胞的种种数据。”

延伸阅读:DNA的另类功能:将操作系统、电影编辑到DNA中

原文标题:CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria

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