Science综述:DNA读写和分子记录仪的新兴应用(四)

【字体: 时间:2018年09月06日 来源:生物通

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  这篇综述文章介绍了一些相关技术进展,概括了它们的前景和触手可及的应用,并讨论了这些技术用于构建处理和记录活细胞内各种信息遗传电路的特征和当前局限性。

  

文章回顾:

Science综述:DNA读写和分子记录仪的新兴应用(一)

Science综述:DNA读写和分子记录仪的新兴应用(二)

Science综述:DNA读写和分子记录仪的新兴应用(三)

DNA记忆特征

1)群体分散和单细胞记录。DNA的天然属性是在单分子水平的编写,因此我们需要一个统计学上显著数量的记录底物(例如DNA分子)。为了实现稳健记录,至今描述的分子记录都采用细胞亚群的分散基因组DNA。高效率的编写器和/或将它们与高拷贝数的记录底物联合使用,可以为单细胞记录铺平道路。

2)编写周期。我们将编写周期定义为迭代次数,期间内,在记忆登记簿对复合体丧失响应之前,新信息可以通过单个DNA编写器或记录器复合体被编码入一个记忆登记簿,碱基编辑、stgRNA和Cas1-Cas2技术,这些都具备编写周期>1的记忆结构。

3)记录容量。我们将记忆容量定义为通过单个DNA编写器或记录器复合体在整个存储单元(用于群体水平记录的细胞群体或单细胞水平记录的单个细胞)内记录(实际上还可以检索)的可区分的记忆状态数目。

根据群体的编写效率和潜在的存储状态(每个细胞的记忆状态×细胞数),定义有两种单记录管理办法。当使用高效率DNA编写器或存储状态数量有限时,可实现数字记录法(群体中突变频率响应输入而急剧饱和增加)。当使用中等效率的编写器或存在许多潜在的存储状态时,可应用模拟记录法(群体中响应输入的突变逐渐累计)。这种可扩容的动态范围使研究人员可以推断与信号强度和持续时间有关的信息,而这些信息属于模拟信息,与实际存在的一个信号(数字信息)不同。

4)时序和瞬时分辨率。模拟记录器随时间对信号进行积分,但不一定保存相关顺序或多个信号发生时间或 一个信号的重复性信息。尽管碱基编辑和Cas1-Cas2的分辨率、编写周期和记录容量仍需进一步改善,通过使用位点-特异性重组酶,具有记录时序和瞬时信息的记忆结构已被开发,值得注意的是,以时间分解方式记录信号动力学的自动收报磁带记忆结构使研究人员有能力推断作为时间函数的信号强度。


世界上最小的活“记录仪”

结论与展望

过去几年,我们见证了基因组时代从“只读”到“读写”的转变。虽然已经取得了实质性的进展,但是仍有足够空间来改进现有的存储器体系结构,或开发具有特需特性的新存储器体系结构,特别是在记录容量、可扩展性、稳健性、适应性效果、电池消耗、编写周期、时序性和记录动力学等。这些技术有望进一步提高我们以动态、纵向和多路复用的方式操纵生物自然记忆储存。

(完)

原文检索:Emerging applications for DNA writers and molecular recorders

(生物通:伍松)

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