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麻省理工团队用活细胞构建微型计算机
发表时间:2019-09-14

麻省理工团队用活细胞构建微型计算机

麻省理工团队用活细胞构建微型计算机,即时读取和写入

这是一个生物学和计算机科学结合的典范,麻省理工学院的科学家利用基因编辑技术将细胞变为微型计算机,可实现读取、写入和执行的功能。
 
DNA计算机在1990年代就出现了,与电子计算机用“0”和“1”来储存信息不同,DNA计算机将信息储存在构成DNA分子的A、C、G、T中。只是这些DNA信息在活细胞中不容易改变,因而计算缓慢。于是麻省理工学院的科学家希望加速这一过程,发明了一种称作DOMINO的技术,该技术全称是基于DNA的有序存储器和迭代网络运行者。它建立在CRISPR基因编辑技术基础上,旨在响应小分子或光照等生物信号。
 
8月22日,这篇文章以《活细胞中单核苷酸分辨率的计算和储存》为题发表在《分子细胞》期刊(Molecular Cell)。通讯作者是来自麻省理工学院的施密特科学博士后研究员Fahim Farzadfard与电气工程与计算机科学系、生物工程系副教授卢冠达(Timothy K. Lu)。
 
麻省理工团队用活细胞构建微型计算机,即时读取和写入
图 | 这是Fahim Farzadfard做的艺术图。他们开发的DOMINO是一种记录生物信息并在活细胞中进行逻辑和计算的技术,该技术通过DNA写入事件的级联(类似于多米诺骨牌),为活细胞中的信息传播、计算和存储提供了强大且可扩展的方法。(来源:Fahim Farzadfard)
 
利用碱基突变实现单核苷酸分辨率,无需破坏细胞
因其普遍存在的持久性和生物功能兼容性,DNA成为人工生物信息储存的理想介质,特别是随着DNA测序效率的提升以及成本下降,其信息储存优势日渐明显。
 
如今基因组编辑技术让人们能更便捷改变遗传信息。DNA编辑器可以对活细胞内所含DNA进行插入、删除、倒位或碱基替换突变等形式,并可用于区分不同DNA记忆状态。短暂的细胞事件,例如蛋白质-蛋白质相互作用,可以作为转录输出被DNA信息储存。
 
此前的活细胞DNA技术只能读取或写入,也就是说,在一两个分子事件后该细胞就停止了数据储存,其编码容量和可扩展性受到限制,不能用来连续监控动态信号或长时间历史信号,并且缺乏便捷的读写和监控操作模式。
 
因此,人们需要一种高效且稳健的分子记录和DNA记忆平台,像硬盘一样能够进行信息存储和计算,Fahim Farzadfard等人构建的活细胞DNA分子记录仪则能够编码更多信息。
 
这是一种非破坏性的DNA报告基因回路,可以响应细胞内的指导RNA(gRNA)突变储存状态,最后以不同水平输出。因此系统读取只需要测定回路状态,而无需破坏细胞和DNA测序读数。
 
麻省理工团队用活细胞构建微型计算机,即时读取和写入
图 | DOMINO存储器架构的示意图。(来源:Molecular Cell)
 
为了达到更高的精确度,研究人员将一种Cas9与最近开发的碱基编辑酶融合,该酶可以将核苷酸胞嘧啶转化为胸腺嘧啶而不破坏双链DNA。具体而言,研究人员利用基因编辑技术构建了一个单核苷酸分辨率的读写头,这个读写头由与胞苷脱氨酶融合的Cas9切口酶与尿嘧啶DNA糖基化酶抑制剂组成。Cas9切口酶用来读取,由gRNA指向特定的DNA靶标并将其切割,胞苷脱氨酶用来写入,而尿嘧啶DNA糖基化酶抑制剂则可以通过阻断细胞修复机制提高写入效率。
 
一旦12碱基对的gRNA序列定位到靶标,编辑器模块可以让靶标序列5’末端(5’末端表示DNA复制或转录的方向)附近的脱氧胞苷脱氨基,之后引入胞嘧啶-胸腺嘧啶突变,从而在DNA中产生永久记录。也就是说,只有细胞中存在特定DNA序列时,胞嘧啶转换为胸腺嘧啶才会发生,那么通过测量这种突变即可得到细胞遇到的信号。

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