MIT科学家设计新方法：通过“改写”细菌DNA将“记忆编入”细菌细胞

这种新的DNA编写技术（研究人员称之为HiSCRIBE）比以前开发的在细菌中编辑DNA的系统要有效得多，后者每一代的成功率只有大约1/10000。在一项新研究中，研究人员证明这种方法可用于存储细胞相互作用或空间位置的记忆。

研究人员表示，这种技术还可以使有选择地编辑、激活或沉默生活在自然社区（如人类微生物组）中的某些种类的细菌的基因成为可能。

麻省理工学院前博士后、该论文的主要作者Fahim Farzadfard说：“有了这种新的DNA编写系统，我们可以在复杂的细菌生态系统内精确、高效地编辑细菌基因组，而不需要任何形式的选择。这使我们能够在实验室环境之外进行基因组编辑和DNA编写，无论是对细菌进行工程设计，在原地优化感兴趣的性状，还是研究细菌种群的进化动态和相互作用。”

麻省理工学院电气工程和计算机科学以及生物工程副教授Timothy Lu是这项研究的资深作者，该研究于2021年8月5日发表在《细胞系统》上。哈佛大学的前研究生Nava Gharaei和麻省理工学院的前研究生Robert Citorik也是这项研究的作者。

基因组书写和记录记忆

几年来，Timothy的实验室一直在研究如何利用DNA来存储信息，如细胞事件的记忆。2014年，他和Farzadfard开发了一种采用细菌作为"基因组录音机"的方法，工程大肠杆菌来存储事件的长期记忆，如化学接触。

为了实现这一目标，研究人员对细胞进行了改造，使其产生一种叫做retron的逆转录酶，这种酶在细胞中表达时产生一种单链DNA（SSDNA），还有一种重组酶，它可以将特定的单链DNA序列插入（"写入"）基因组中的一个目标位点。这种DNA只有在被预先确定的分子或另一种类型的输入（如光）激活时才会产生。在DNA产生后，重组酶将DNA插入一个预设的位点，该位点可以是基因组的任何地方。

这种技术，研究人员称之为SCRIBE，其写入效率相对较低。在每一代中，1万个大肠杆菌细胞中，只有一个会获得研究人员试图纳入细胞的新DNA。这部分是因为大肠杆菌有细胞机制，可以防止单链DNA被积累并整合到它们的基因组中。

在新研究中，研究人员试图通过消除大肠杆菌对单链DNA的一些防御机制来提高该过程的效率。首先，他们禁用了被称为外核酸酶的酶，这些酶可以分解单链DNA。他们还敲除了参与一个叫做错配修复系统的基因，该系统通常会阻止单链DNA整合到基因组中。

通过这些修改，研究人员能够实现他们试图引入的遗传变化的近乎普遍的整合，创造了一种无与伦比的、高效的编辑细菌基因组的方法，而不需要选择。

Farzadfard说：“由于这一改进，我们能够做一些前一代SCRIBE或其他DNA书写技术无法做到的应用。”

细胞相互作用

在2014年的研究中，研究人员表明，他们可以用SCRIBE来记录接触特定分子的持续时间和强度。通过他们新的HiSCRIBE系统，他们可以追踪这些类型的暴露，以及其他类型的事件，如细胞之间的相互作用。

作为一个例子，研究人员表明，他们可以跟踪一个叫做细菌接合（bacterial conjugation）的过程，在这个过程中，细菌交换DNA片段。通过将一个DNA“条形码”整合到每个细胞的基因组中，然后可以与其他细胞交换，研究人员可以通过对它们的DNA进行测序来确定哪些细胞已经相互作用，看看它们携带了哪些条形码。

这种绘图可以帮助研究人员研究细菌如何在生物膜等聚合体中相互交流。Farzadfard说，如果类似的方法可以在哺乳动物细胞中部署，那么有一天它可以被用来绘制其他类型细胞（如神经元）之间的相互作用。可以穿越神经突触的病毒可以被编程为携带DNA“条形码”，研究人员可以用它来追踪神经元之间的连接，提供一种帮助绘制大脑连接组的新方法。

Farzadfard说：“我们正在使用DNA作为记录细菌细胞相互作用的空间信息的机制，也许在未来，被标记的神经元也是如此。”

研究人员还表明，他们可以使用这种技术在一个由许多物种组成的社区中专门编辑一种细菌的基因组。在这种情况下，他们将一种分解半乳糖的酶的基因引入与其他几种细菌一起培养的大肠杆菌细胞。

研究人员称，这种物种选择性编辑可以提供一种新的方法，通过沉默抗生素细菌的抗性基因，使其更容易受到现有药物的影响。然而，他们表示，这种治疗方法可能还需要几年的研究来开发。

研究人员还表明，他们可以使用这种技术来设计一个由细菌和噬菌体组成的合成生态系统，这些细菌和噬菌体可以不断改写其基因组的某些部分，并以高于自然进化的速度自主进化。在这种情况下，他们能够优化细胞消费乳糖的能力。

Farzadfard说：“这种方法可用于细胞性状的进化工程，或用于实验性进化研究，允许你一次又一次地重放进化的录像。”