科學家制造基因錄音機 將細菌轉化為長期記憶存儲設備

據科學日報報道，美國麻省理工學院的工程師們已經將大腸桿菌的基因組轉化成為長期的記憶存儲設備。他們設想這個穩定、可消除、易取回的記憶將適合一系列應用，例如用于環境和醫學監測的傳感器。“你可以存儲長期信息，”麻省理工學院電子工程、計算機科學和生物工程副教授盧冠達(Timothy Lu)這樣說道。“你可以想象一下生活在你腸道里的細菌或者環境細菌擁有這樣的系統。”

工程師們已經將大腸桿菌的基因組轉化成為長期的記憶存儲設備

這項發表在11月13日的期刊《科學》上的研究克服了細菌基因體內存儲記憶的現有方法的好幾項局限性，研究高級作者盧這樣說道。這些方法需要大量的基因調控元素，從而限制了可以存儲的信息量。

之前的研究還只限于數字記憶，這意味著它們只能存儲要么全有或者全無（all-or-nothing）的記憶。盧和他的研究生、文章首席作者法希姆·法爾扎法德(Fahim Farzadfard)計劃創立一個存儲模擬記憶的系統，從而揭示暴露的程度或者持續時間。為了實現這一目標，他們設計了一個“基因錄音機”，使得研究人員可以在任何細菌DNA序列上編寫新的信息。

穩定的記憶

為了編碼大腸桿菌從而儲存記憶，麻省理工學院的研究人員對細胞進行了改造并生成了一種重組酶，它可以將DNA 或者特定序列的單鏈DNA 插入到靶點。然而，只有當存在一種預定分子或其他類型的輸入信號，例如光時，才能產生這一DNA。

在生成DNA 后，重組酶將這一DNA 插入細胞基因組的預編程位置。“我們可以定位基因組里的任何位置，這就是為什么我們把它視作一種錄音機，因為你可以控制信號寫入的位置，”盧冠達說。一旦這一過程記錄下了一種暴露，這些記憶將在菌群里永久儲存并代代相傳。

想要取回存儲的信息，有幾種不同的方法。如果DNA 被插入了基因組的非功能區域，對基因組的測序將會揭示這一記憶是否存儲在特定細胞里?；蛘?，研究人員可以定位這些序列從而改變基因。例如，在這項研究里，新的DNA 序列開啟了一個抗生素抗性基因，這使得研究人員可以通過向細胞添加抗生素并觀察細胞存活的數量，從而確定有多少細胞獲得了這一記憶序列。

通過測量擁有新DNA 序列的細胞在群體中的比例，研究人員可以確定暴露的程度以及持續的時間。在這項研究里，研究人員利用這一系統檢測了光、一種叫做IPTG 的乳糖代謝產物以及一種抗生素衍生物aTc。此外它還可以針對許多其它的分子甚至是細胞產生的信號，盧這樣解釋道。通過刺激細胞并將不同的DNA 片段在同一位置整合，這些信息還可以被消除。然而目前這一過程效率并不高，但研究人員正在努力改善它。

“這項研究真是令人激動，因為它在單一系統里結合了很多有用的特性：持久性、可模擬性、分布的基因存儲且具有一系列讀取選項，”美國加州大學圣地亞哥分校的副教授肖恩· 道格拉斯（Shawn Douglas）這樣說道，他并沒有參與這項研究。“法爾扎法德和盧的這項研究并沒有將單個細胞作為一個數字存儲設備，而是將整個細胞群作為一個模擬‘硬盤’，從而極大的增加了可以存儲和取回的信息量。”

細菌傳感器

這類傳感器的環境應用包括監測海洋的二氧化碳水平、酸度或污染物。此外，還可以潛在利用一些生活在人類消化道里的細菌來檢測某人的飲食攝入，例如消耗的糖或脂肪量，或者檢測腸易激綜合征引發的炎癥。

這些基因改造的細菌還可用作生物計算機，盧冠達說道，它們尤其適用于要求進行大量并行處理，例如辨認圖像模式的計算類型。

“由于在一個試管中有數十億的細菌，現在我們開始利用這樣的菌群進行儲存記憶或者計算。利用它們進行高度并行的計算可能將非常有趣。它也許比較緩慢，但可能相對節能，”盧說道。

另一種可能的應用是，通過基因改造在培養皿里培育的活體動物或人類的大腦細胞，研究人員可以追蹤在某一特定時間某一特定疾病標記物是否表達或者某個神經元是否活躍。“如果你能夠實現細胞內的DNA 自我轉化為小型儲存設備，然后與你關心的東西關聯起來，那么你就可以寫下這一信息并隨后取回。”盧冠達說道。這項研究得到了美國國家衛生院、海軍研究辦公室和美國國防高級研究計劃局(DARPA)的資金支持。