将活细胞想像成微型计算机，只要有足够精确的读写“硬件”，就可以记录和处理单核苷酸突变和DNA片段，而不是位和字节。麻省理工学院的科学家刚刚介绍了这种硬件。它的核心是CRISPR基础编辑系统，可以将胞嘧啶(C)导入胸腺嘧啶(T)突变，以引导RNA靶向的DNA片段。

CRISPR基础编辑系统可以在“位水平”可靠地覆盖DNA，因为与普通的CRISPR基因编辑系统不同，这些系统不会使DNA遭受双链断裂。普通的CRISPR基因编辑系统依赖于细胞自身的DNA修复机制，这可能导致不确定的突变结果，从而限制了可以存储的信息量。

借助CRISPR基础编辑的应用，麻省理工学院的科学家可能会带来Cellular Computation 2.0。他们创建了一个名为DOMINO(基于DNA的有序内存和迭代网络操作员)的系统，该系统可用于记录细胞生命中许多事件的强度，持续时间，序列和时间安排，例如暴露于某些环境中。化学药品。然后可以处理细胞“记忆”，以便一个事件或一系列事件将触发另一个事件，例如荧光蛋白的产生。

“我们需要更好的策略来揭示复杂生物学的工作原理，尤其是在癌症之类的疾病中，可能发生多种生物学事件，将正常细胞转化为患病细胞，”麻省理工学院电气工程学和计算机科学家，医学博士Timothy Lu说。博德学院。Lu和同事(包括Schmidt科学研究员Fahim Farzadfard博士)开发了DOMINO，以超越现有策略的记录和扩展功能。

“通过[DOMINO]，我们将DNA用作存储带来永久记录疾病中发生的生物学事件，” Lu阐述道。“这项技术可以让我们更深入地了解随着时间的推移，哪些信号会上升和下降，从而推动疾病的发展。”

有关DOMINO的详细信息出现在8月22日的《分子细胞》杂志上，标题为“ 活细胞中的单核苷酸分辨率计算和记忆 ”。根据这篇文章，DOMINO可用于编码细菌和真核细胞中的逻辑和记忆。 。

该文章的作者写道：“ DOMINO操作员可以通过模拟和数字分子记录来长期监测信号动力学和细胞事件。” “此外，可以将多个算子进行分层和互连，以对顺序无关，顺序和时间逻辑进行编码，从而可以记录和控制细胞中分子事件的组合，顺序和时间。”

DOMINO是由操作员单元组成的模块化系统。每个单元由一个碱基编辑器(与胞苷脱氨酶融合的Cas9的非切割变体)和一个指导RNA组成，该RNA与其在基因组上的互补序列结合，并将碱基编辑器募集到该序列。一旦招募，基础编辑器就可以引入C to T突变。

可以设计DOMINO操纵子中的指导RNA，使其仅在先前事件首先将某种突变引入该序列后才能结合其靶序列。因此，为了使基本编辑器进行更改，必须已进行了先前的更改，以便可以进行下一个更改。如果特定序列发生突变，则可以进行下一步。如果它没有突变，那么下一步就不会发生。

Farzadfard解释说：“您可以设计系统，使输入的每种组合都为您提供独特的突变特征。” “从该签名中，您可以判断出输入的哪种组合。”

研究人员使用DOMINO创建可以执行逻辑计算的电路，其中包括AND和OR门可以检测多个输入的存在。他们还创建了可以记录以一定顺序发生的事件级联的电路，类似于多米诺骨牌掉落的阵列。

大多数以前版本的细胞存储器的存储要求通过对DNA进行测序来读取存储的存储器。但是，该过程会破坏细胞，因此无法对其进行进一步的实验。在这项研究中，研究人员设计了电路，使最终输出可以激活绿色荧光蛋白(GFP)的基因。通过测量荧光水平，研究人员可以估算出积累了多少突变，而不会杀死细胞。

目前，该团队已使用该技术记录了数小时的事件。但是他们希望他们可以改善时间分辨率，并使其适合于记录在更快的时间尺度上发生的细胞事件。他们还计划将DOMINO的应用程序扩展到高度并行的计算和记录，以处理和询问更复杂的生物事件。

Lu表示：“这种类型的生物计算是一种获取和处理信息的令人兴奋的新方式。” “这是利用单元中自然内存和计算功能的长期途径的一部分。”

DOMINO的潜在应用包括创建激活某些信号分子时产生GFP的小鼠免疫细胞，研究人员可以通过定期从小鼠采集血液样本进行分析。

研究人员说，另一个可能的应用是设计可以检测与癌症有关的基因活性的电路。还可以对此类电路进行编程，以打开产生抗癌分子的基因，从而使系统能够检测和治疗疾病。Lu指出：“这些应用程序可能与现实世界的使用相距甚远，但肯定会通过这种技术来实现。”