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解析Church最新论文,或可以储存数据的“活细胞”

2016/06/15 来源:中国生物技术网
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导读
遗传学家Seth Shipman和Jeff Nivala带领着哈佛研究团队,以一种完全不同的方式进行DNA数据储存。他们直接将信息写入了基因组,相比完全合成的DNA数据储存系统容量,以便让数据完全能够储存在单个细胞中,而不是必须借助成堆的细胞对信息进行编码和解码。

George Church发表CRISPR/Cas重要研究成果轰动科研界

6月9日,Science发表了来自美国哈佛大学的George Church和同事们利用细菌的CRISPR/Cas适应性免疫系统,开发出一种方法永久性记录活细胞中的分子事件的最新论文——“Molecular recordings by directed CRISPR spacer acquisition”。George Church是这篇paper的通讯作者,文章的一作为该校的Seth L. Shipman和Jeff Nivala。

在文章发布的第一时间内,未参加该项研究的以色列特拉维夫大学微生物学家Udi Qimron表示,这项研究的重要性在于提供概念验证:一种吸引人的细菌免疫系统可能被用作为一种具有令人印象深刻的记录容量的工具。

合成储存数据的“活细胞”

作为文章的第一作者,Shipman和Nivala接受了诸多当地媒体的采访,并表示已研发出一种能永久将数据储存在活体细胞中的技术。此外,这些被刻在微生物中的信息能够传递给微生物的下一代。 

在先前的实验中,科学家们将信息编码到一段DNA序列中,进行DNA合成,所有的信息依旧被保留在活体生物的范围之外。在新的研究中。遗传学家Seth Shipman和Jeff Nivala带领着哈佛研究团队,以一种完全不同的方式进行DNA数据储存。

Nivala表示:“我们直接将信息写入了基因组,相比完全合成的DNA数据储存系统容量,我们目前能够储存的总体DNA数据较小,不过我们认为以基因组为基础的信息储存方式由许多潜在的优势。”在他看来,这些优势包括更高的保真度和直接与生物配合的能力。比如,科学家们可以教会一个细菌识别、提供信息乃至杀死它内部的其它微生物,或者提供一份基因表达记录。 Nivala说:“我们大约能储存30-100字节的信息,相比先前大约11字节的容量而言,这一储存容量已经很高。”

“活细胞”存储出现,云存储out了?

云存储可能今天数据行业的风靡一时,但哈佛大学的遗传学家小组可能已经找到另一个介质——细菌,或可对我们存储信息的方式产生巨大影响。

为了做到这一点,研究人员们以CRISPR的形式利用了细菌的内置免疫系统,直接将数据写入细菌细胞的基因组中。这使得被修饰的细菌能够将这一定制信息传递给它的下一代,使得这种形式的生物数据储存嫉妒有效且强大。

Shipman和Nivala借用了细菌的内置免疫系统来实现这一点。每当病毒攻击细菌的时候,CRISPR就会勤奋地在DNA中记录这一事件,后来该细菌再次受到病毒攻击的时候,它就能查找到这一事件。而它做到这一点的方式则是直接储存滤过性毒菌的DNA,这被称作基因间隔区。研究人员们在实验中想要知道这些间隔区是否会被添加到特定序列中,并生成时间线。

他们发现这种间隔区的时间顺序能够形成分子记录设备的基础。在实验中,较松的DNA片段被注射到具备CRISPR/cas9的大肠杆菌中。其中某些DNA片段并非随意挑选,这些含有特定数据串的片段(即A\T\C\G特定字母序列组合)是科学家们精心挑选的结果。这些片段被引入到细菌中之后,该细菌就会以一种连贯的线性方式有条不紊地将它们整合起来,以反映它们被引入的顺序。

科学家们仅增加了几个间隔区来演示他们的理论,在其它间隔区可用的情况下,潜在的可能组合非常惊人。

Nivala说:“这些实验为研发能用来监控长时间内分子事件的记录系统奠定了基础。比如,最终它能够帮助我们了解某个细胞从健康走向疾病状态期间,其基因条件出现了何种问题等。或者它也可以被用来记录细胞外部环境信息,比如特定化学物质、毒素和病原体的存在。”

该团队将进一步提升这一系统,以便让数据完全能够储存在单个细胞中,而不是必须借助成堆的细胞对信息进行编码和解码。

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