Nature：小視頻居然可以導入細菌 DNA

圖 1

左圖展示的是由一幀幀原始圖像組成的駿馬奔騰動態圖；而右圖則是通過 CRISPR 基因編輯工具編碼細菌 DNA 後，再次測序得到的重構圖像。

網民會通過各種方式存儲各種格式的影片視頻，現如今，生物學家也不例外。研究人員通過使用微生物免疫系統 CRISPR-Cas，已成功將電影片段編碼存儲到大腸桿菌的基因組中。

該技術成果於 2017 年 7 月 12 日 在《Nature》率先發布。美國馬薩諸塞州哈佛醫學院的合成生物學家 Seth Shipman 提到，將編碼數據存儲進細菌 DNA，有助於存儲記錄一系列事件的發生髮展。Shipman 在過往研究腦神經發育時，因缺乏記錄捕捉腦神經細胞運作的技術而受阻。當然，這也激發了他日後探索研究細胞分子水平記錄系統的熱情。

他說到，「細胞有收集各類信息的途徑和能力，我想通過細胞來記錄中樞神經系統發育過程中各種分子水平的信息」。

CRISPR 基因編輯

然而，將電影片段刻進活細菌的 DNA 看似容易，但其實為了研發這類系統，需要建立一種可以在單個細胞中記錄數百個事件的體系。Shipman 及其同事，包括哈佛醫學院遺傳學家 George Church，已著手運用免疫系統 CRISPR-Cas，使得諸多科研工作者可以更加準確便利地編輯基因組。

Shipman 團隊利用 CRISPR-Cas 可捕獲入侵病毒 DNA 序列並將其存儲在宿主基因組中的有序陣列上。本質上講，也就是通過特異性識別，利用 Cas 蛋白定向切割入侵病毒的 DNA。遺傳學家也通常運用這種對 DNA 靶向切割的手段來進行基因編輯。

該團隊還設計了用於記錄圖像中像素的編碼系統，每個像素對應著不同的核苷酸序列代碼。電影片段的每一幀均由 104 段 DNA 序列組成。

圖 2

左圖展示的是原始圖像；而右圖則是先對 DNA 進行基因編輯，經細菌多代生長後，對 DNA 提取測序得到的圖像。

研究人員精選出的電影片段（圖 1），是由英國攝影師 Eadweard Muybridge 早期攝製的《人與動物的動態攝影》系列改編而成。照片展示的是一匹疾馳的名叫 Annie G 的母馬。通過每天 1 幀的速率，持續 5 天將 DNA 序列導入大腸桿菌基因組中。

隨後對細菌 DNA 進行核苷酸代碼的提取測序，以得到高還原度的動態重構圖像。因 CRISPR 系統是依次添加 DNA 序列片段，所以整體序列中各片段的位置可用於確定片段所屬的原始圖幀。

一場編碼革命

瑞士聯邦理工學院的生物工程師 Randall Platt 認為，該基因編輯系統距成為 Shipman 研究腦功能時所渴求的分子攝像機，還有很漫長的路要走，這還需要大量技術進步才能達到這一目標。因為每個像素都是對應獨立的 DNA 序列，不存在佔用多個 DNA 序列的情況，所以數字電影的信息可存儲在像素組群中。

目前，尚未有人嘗試將 CRISPR 陣列轉移到哺乳動物細胞中。雖然這場編碼革命存在各種局限性，但這也是一項不可多得的開創性工作。

CRISPR-Cas 系統還可將 RNA 轉換為 DNA，然後將其插入到 CRISPR 的編碼序列中。Platt 注意到，這可能打開了使用編碼序列追蹤基因表達的大門，而不需要通過刻意破壞細胞以抹除 RNA。

北卡羅來納州半導體研究公司的首席科學家 Victor Zhirnov 認為這項前驅工作是「革命性的」，並希望在此研究基礎上進行技術革新。Zhirnov 說：「這就像 1903 年飛天的第一架飛機，雖然最開始只是好奇心而已，但經過短短的十年，那時的飛機已如今日一般令人讚歎。」

參考文獻：

1. CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria. Nature. 2017

2. Direct CRISPR spacer acquisition from RNA by a natural reverse transcriptase - Cas1 fusion protein. Science. 2017

作者： johns

圖片來源：Nature

題圖來源：shutterstock.com

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