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世界上最小的录音机是由微生物构建的

通过一些巧妙的分子攻击,哥伦比亚大学医学中心的研究人员将天然细菌免疫系统转变为显微数据记录仪,为从疾病诊断到环境监测等各种细菌细胞的新一类技术奠定了基础。

世界上最小的录音机是由微生物构建的

研究人员修改了普通人类肠道微生物大肠杆菌的普通实验室菌株,使细菌不仅可以记录它们与环境的相互作用,还可以记录事件的时间戳。

“患者吞下的这类细菌可能能够记录它们在整个消化道中所经历的变化,从而产生前所未有的现象,这是前所未有的现象,”病理学和细胞生物学与系统系助理教授Harris Wang说。 CUMC的生物学和新作品的资深作者,在今天的科学期刊中有所描述。其他应用可能包括环境感知和生态学和微生物学的基础研究,细菌可以在不破坏周围环境的情况下监测其他不可见的变化。

Wang和他的实验室成员利用CRISPR-Cas(多种细菌中的免疫系统)创建了微观数据记录器。CRISPR-Cas从入侵病毒中复制DNA片段,以便后代细菌可以更有效地排斥这些病原体。结果,细菌基因组的CRISPR基因座累积了它及其祖先存活的细菌病毒的时间顺序记录。当这些相同的病毒再次感染时,CRISPR-Cas系统可识别并消除它们。

“CRISPR-Cas系统是一种天然的生物记忆设备,”王说。“从工程角度看,它实际上相当不错,因为它已经是一个通过进化磨练的系统,非常适合存储信息。”

CRISPR-Cas通常使用其记录的序列来检测和切割进入的噬菌体的DNA。这种DNA切割活动的特异性使得CRISPR-Cas成为基因治疗研究人员的宠儿,他们对其进行了修改,以便对培养细胞,实验动物甚至人类的基因组进行精确改变。实际上,目前正在通过CRISPR-Cas基因疗法治疗各种疾病的十几项临床试验正在进行中。

但是Wang的实验室的研究生Ravi Sheth看到了CRISPR-Cas录音功能的未实现潜力。“当你考虑用电子设备记录时间变化的信号,或录音......这是一项非常强大的技术,但我们在想如何将它扩展到活细胞本身呢?”Sheth说。

为了构建他们的显微记录仪,Sheth和Wang实验室的其他成员修改了一块称为质粒的DNA,使其能够在细菌细胞中产生更多的自身拷贝,以响应外部信号。单独的记录质粒驱动记录器并标记时间,表达CRISPR-Cas系统的组件。在没有外部信号的情况下,仅记录质粒是活性的,并且细胞将间隔序列的拷贝添加到其基因组中的CRISPR基因座。当细胞检测到外部信号时,另一个质粒也被激活,导致其序列被插入。结果是背景序列的混合,记录时间和信号序列,这些序列根据细胞的环境而变化。

目前的论文证明该系统可以处理至少三个同时发出的信号并记录数天。

“现在我们计划研究在自然或疾病状态,胃肠道系统或其他地方的变化可能会改变的各种标志物,”王博士说。

合成生物学家以前曾使用CRISPR在DNA中存储诗歌,书籍和图像,但这是CRISPR首次用于记录细胞活动和这些事件的时间。

的科学论文题为“在1周时间的细胞事件的多重记录成CRISPR生物胶带”。

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