一種有效編輯細菌基因組的新方法

麻省理工學(xué)院的生物工程師設(shè)計了一種新方法，可以通過重寫細菌細胞的 DNA 來有效地編輯細菌基因組并將記憶編程到細菌細胞中。使用這種方法，可以將各種形式的空間和時間信息永久存儲幾代，并通過對細胞的 DNA 進行測序來檢索。

研究人員將這種新的 DNA 寫入技術(shù)稱為 HiSCRIBE，它比以前開發(fā)的用于編輯細菌 DNA 的系統(tǒng)要高效得多，后者的成功率僅為每代 10,000 個細胞中的 1 個。在一項新研究中，研究人員證明這種方法可用于存儲細胞相互作用或空間位置的記憶。

研究人員說，這項技術(shù)還可以選擇性地編輯、激活或沉默生活在人類微生物群等自然群落中的某些細菌物種中的基因。

“通過這種新的 DNA 寫入系統(tǒng)，我們可以在復(fù)雜的細菌生態(tài)系統(tǒng)中精確有效地編輯細菌基因組，而無需任何形式的選擇，”前麻省理工學(xué)院博士后、該論文的第一作者 Fahim Farzadard 說。“這使我們能夠在實驗室環(huán)境之外進行基因組編輯和 DNA 寫入，無論是設(shè)計細菌、原位優(yōu)化感興趣的特征，還是研究細菌種群的進化動力學(xué)和相互作用。”

麻省理工學(xué)院電氣工程、計算機科學(xué)和生物工程副教授 Timothy Lu 是該研究的資深作者，該研究今天發(fā)表在Cell Systems 上。哈佛大學(xué)前研究生 Nava Gharaei 和麻省理工學(xué)院前研究生 Robert Citorik 也是該研究的作者。

基因組書寫和記錄記憶

幾年來，Lu 的實驗室一直在研究如何使用 DNA 來存儲信息，例如細胞事件的記憶。2014 年，他和 Farzadard 開發(fā)了一種將細菌用作“基因組錄音機”的方法，通過改造大腸桿菌來存儲化學(xué)物質(zhì)暴露等事件的長期記憶。

為了實現(xiàn)這一目標，研究人員設(shè)計了細胞以產(chǎn)生一種稱為逆轉(zhuǎn)錄酶的逆轉(zhuǎn)錄酶，該酶在細胞中表達時會產(chǎn)生單鏈 DNA (ssDNA)，以及一種可以插入(“寫入”)特定序列的重組酶將單鏈 DNA 導(dǎo)入基因組中的目標位點。只有當(dāng)存在預(yù)定分子或其他類型的輸入(例如光)激活時，才會產(chǎn)生這種 DNA。產(chǎn)生 DNA 后，重組酶將 DNA 插入預(yù)編程的位點，該位點可以位于基因組的任何位置。

這種被研究人員稱為 SCRIBE 的技術(shù)的書寫效率相對較低。在每一代中，每 10,000 個大腸桿菌細胞，只有一個人會獲得研究人員試圖整合到細胞中的新 DNA。這部分是因為大腸桿菌具有阻止單鏈 DNA 積累和整合到其基因組中的細胞機制。

標簽： 細菌基因組