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CRISPR将活细胞转化为数据存储设备

研究人员正在开发利用DNA(生物生命蓝图)作为合成原料的方法,使用昂贵的机器将大量数字信息存储在活细胞外。但是,如果他们能够像大量细菌一样强迫活细胞使用他们自己的基因组作为生物硬盘驱动器,可以用来记录信息,然后随时可以利用它?这种方法不仅可以开辟数据存储的全新可能性,还可以进一步设计成有效的记忆装置,能够记录细胞在其发育过程中所具有的分子经验,或以时间顺序暴露于压力和病原体。 

2016年,由Wyss核心学院成员George Church博士领导的Wyss生物启发工程研究所和哈佛医学院(HMS)的团队建立了第一个基于CRISPR系统的分子记录器,该系统允许细胞获得按时间顺序提供的DNA编码信息,在细菌基因组中产生它们作为细胞模型的记忆。可以调用作为CRISPR基因座中的序列阵列存储的信息,并用于重建事件的时间线。然而,“尽管如此,我们不知道当我们试图同时跟踪大约一百个序列时会发生什么,或者它是否会起作用。这是至关重要的,因为我们的目标是使用这个系统记录复杂的生物事件作为我们的最终目标,“Seth Shipman博士说,

现在,在Nature发表的一项新研究中,同一团队在基础原理验证实验中表明,作为首创方法进一步发展的CRISPR系统能够将信息编码为数字化的复杂信息。人类手的形象,让人想起早期人类在洞穴墙壁上绘制的第一批画作,以及在活细胞中制作的第一部电影的序列,一匹奔马的图像。

CRISPR系统可帮助细菌产生免疫力,抵御不同环境中持续不断的病毒袭击。作为幸存感染的记忆,它捕获病毒DNA分子并从中产生短的所谓“间隔”序列,其作为位于细菌基因组的CRISPR基因座中的增长阵列中的先前元件的上游添加。现在着名的CRISPR-Cas9蛋白质不断转向这种记忆,以便在它们返回时摧毁相同的病毒。除了已成为广泛使用的基因组工程工具的Cas9之外,CRISPR系统的其他部分迄今尚未在技术上被大量开发。

“在这项研究中,我们展示了我们已经设计成分子记录工具的CRISPR系统Cas1和Cas2的两种蛋白质,以及对最佳间隔物的序列要求的新理解,使得获得的显着扩大的潜力成为可能。回忆并将它们存放在基因组中 - 作为可以由外部研究人员提供的信息,或者将来可以通过细胞的自然体验形成的信息,“Church,同时也是Robert Winthrop遗传学教授在哈佛医学院和哈佛大学和麻省理工学院的健康科学和技术教授。“进一步利用,

为了在更大的尺度上处理复杂信息,该团队采用了静止和移动图像,因为它们代表了受约束和明确定义的数据集,而电影则提供了细菌随着时间的推移逐帧获取信息的机会。“我们设计的策略基本上将图像或帧的每个像素中包含的数字信息以及帧编号转换为DNA代码,并且通过附加序列将其合并到间隔物中。因此,每一帧都成为一个间隔物的集合,“该研究的第一作者塞思希普曼说。“然后,我们按时间顺序为细菌群提供连续框架的间隔物集合,使用Cas1 / Cas2活性将它们添加到基因组中的CRISPR阵列中。

在实现分子记录的这一新概念的同时,Shipman与第二作者和博士后研究员Jeff Nivala博士在分析过程中定义了一系列有价值的要求,这些要求使得间隔序列可能更容易获得,并确定了序列阻止它们被收集到不断增长的CRISPR阵列中的功能 - 间隔设计的注意事项和注意事项。

在未来的工作中,该团队将专注于在其他细胞类型中建立分子记录设备,并进一步设计系统,以便记忆生物信息。“有一天,我们可能能够遵循分化神经元从早期干细胞到大脑中高度特化的细胞类型的所有发育决策,从而更好地理解基本的生物和发育过程是如何经过精心设计,“希普曼说,除了教会之外,还有神经生物学家和共同作者杰弗里麦克利斯博士,哈佛大学生命科学学院的Max和Anne Wien教授以及干细胞和再生生物学教授。 。一旦适应特定的范例,该方法还可以产生更好的方法来产生用于再生疗法的细胞,

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