麻省理工学院的生物工程师已经设计出一种方法来记录人体细胞DNA中的复杂历史，使他们能够通过对DNA进行测序来检索过去事件的“记忆”，例如炎症。这种模拟记忆存储系统 - 第一个能记录人体细胞事件持续时间和/或强度的系统 - 也可以帮助科学家研究细胞在胚胎发育过程中如何分化成各种组织，细胞如何经历环境条件，以及它们如何经历基因变化导致疾病。

“为了更深入地了解生物学，我们设计了能够基于遗传编码记录器报告自己历史的人体细胞，”电气工程和计算机科学副教授，生物工程学教授Timothy Lu说。他补充说，这项技术应该提供基因调控和细胞内其他事件如何促进疾病和发展的见解。

Lu是麻省理工学院电子研究实验室合成生物学组的负责人，是该研究的高级作者，该研究出现在8月18日的在线科学版上。该论文的主要作者是Samuel Perli SM '10，博士'15和研究生Cheryl Cui。

模拟记忆

包括卢在内的许多科学家已经设计出了在活细胞中记录数字信息的方法。使用称为重组酶的酶，当特定事件发生时，它们编程细胞翻转其DNA片段，例如暴露于特定化学物质。然而，该方法仅揭示事件是否发生，而不是暴露了多少曝光或持续多长时间。

Lu和其他研究人员之前已经设计过在细菌中记录这种类似模拟信息的方法，但直到现在，还没有人在人体细胞中实现这种信息。

新的MIT方法基于称为CRISPR的基因组编辑系统，其由称为Cas9的DNA切割酶和将酶引导至基因组的特定区域的短RNA链组成，指导Cas9在哪里进行切割。

CRISPR广泛用于基因编辑，但麻省理工学院的团队决定将其用于记忆存储。在CRISPR最初进化的细菌中，该系统记录过去的病毒感染，以便细胞识别并抵抗入侵的病毒。

“我们希望调整CRISPR系统以在人类基因组中存储信息，”Perli说。

当使用CRISPR编辑基因时，研究人员创建了与宿主生物基因组中的靶序列匹配的RNA引导链。为了编码记忆，麻省理工学院的团队采用了不同的方法：他们设计了引导链，识别编码同一引导链的DNA，创造了他们所谓的“自我靶向指导RNA”。

在这种自我靶向引导RNA链的带动下，Cas9切割编码引导链的DNA，产生突变，成为事件的永久记录。该DNA序列一旦发生突变，就会产生新的指导RNA链，将Cas9导向新突变的DNA，只要Cas9具有活性或表达自靶向指导RNA，就可以进一步积累突变。

通过使用用于特定生物事件的传感器来调节Cas9或自我靶向指导RNA活性，该系统使得累积突变能够作为这些生物学输入的函数累积，从而提供基因组编码的记忆。

例如，研究人员设计了一种基因回路，该基因回路仅在存在靶分子的情况下表达Cas9，例如TNF-α，其在炎症期间由免疫细胞产生。每当存在TNF-α时，Cas9切割编码指导序列的DNA，产生突变。暴露于TNF-α的时间越长或TNF-α浓度越大，DNA序列中的突变累积越多。

通过对DNA进行测序，研究人员可以确定有多少暴露。

“这是我们正在寻找的丰富的模拟行为，随着你增加TNF-α的数量或持续时间，你会增加突变量，”Perli说。

“此外，我们想在活体动物身上测试我们的系统。能够记录和提取小鼠活细胞的信息可以帮助回答有意义的生物学问题，”崔说。研究人员表明，该系统能够记录小鼠的炎症。

大多数突变导致部分DNA序列被删除，因此研究人员设计他们的RNA引导链比通常的20个核苷酸长，因此它们不会变得太短而无法运作。40个核苷酸的序列长度足以记录一个月，研究人员还设计了70个核苷酸序列，可用于记录更长时间的生物信号。

跟踪发展和疾病

研究人员还表明，通过在同一细胞中产生多个自靶向RNA引导链，他们可以设计细胞来检测和记录多个输入。每个RNA指南都与特定输入相关联，只有在输入存在时才会生成。在这项研究中，研究人员表明他们可以记录抗生素强力霉素和一种称为IPTG的分子的存在。

研究人员表示，目前这种方法最有可能用于研究人体细胞，组织或工程器官。通过编程细胞记录多个事件，科学家可以使用该系统监测炎症或感染，或监测癌症进展。它还可用于追踪细胞在从胚胎到成虫的动物发育过程中如何专注于不同的组织。

“利用这项技术，你可以使用不同的存储器寄存器来记录不同信号的曝光，你可以看到这些信号中的每一个都是由电池在这段时间内或以这种强度接收的，”Perli说。“通过这种方式，你可以更加了解发展中正在发生的事情。”