一种新的基于DNA的记录器使生物工程师能够创建细胞培养物，以检测其环境中的信息并存储起来以供以后使用。这种“设计”细胞将来可能用于监测村庄的水质，或测量一个人摄入的糖量。这项技术在本周的《科学》杂志上进行了描述。
在合成生物学中，基因被设计成相互调节表达，从而执行类似于计算机电路中的逻辑运算。长期以来，存储器被认为是实现这项技术前景所需的关键组件之一。
“构建基因回路不仅需要计算和逻辑，还需要一种存储信息的方法，” 剑桥市马萨诸塞理工学院的生物工程师 Timothy Lu 说。“DNA 提供了一种非常稳定的存储形式，并将使我们能够执行更复杂的计算任务。”
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在之前的合成生物学尝试中，数据存储的创建过程非常繁琐。它也仅记录一种特定感官输入的有无，并且只能用于有限的应用。在最新的论文中，Lu 和他的同事 Fahim Farzadfard 描述了他们如何同时记录多种类型的数据，并且可以记录输入随时间的累积，就像汽车的里程表计数公里一样。然后可以通过 DNA 测序读出存储的信息。他们将他们的方法称为 SCRIBE，即合成细胞记录器整合生物事件。
“这是工具箱的一个很好的补充”，它可以补充其他存储技术，法国蒙彼利埃结构生物化学中心的生物工程师 Jérôme Bonnet 说，他没有参与这项研究。“合成生物学中存在不同类型的存储空间——就像在计算中，你有硬盘和 RAM。”
生物存储器
该团队关于 SCRIBE 的工作始于三年前，旨在改进基因编辑，其中诱导细胞将新信息整合到其基因组中。一种看似直接的方法是使用单链 DNA 分子。
细菌基因组，如人类基因组，由双链 DNA 分子组成。但是，当单链 DNA 在细胞中漂浮时，可以使用来自病毒的酶刺激细菌将其插入其基因组中。然而，大多数细菌不容易制造大量的单链 DNA。
Farzadfard 和 Lu 发现了一篇 1984 年关于一种土壤细菌的论文，该细菌包含数百个单链 DNA 副本。这种 DNA 是由一种由双链 DNA 组成的自由漂浮结构制造的，称为逆转录子。
这些逆转录子的自然生物学功能仍然神秘，但 Farzadfard 和 Lu 意识到他们可以重新编程它们以产生编码他们想要的信息的单链 DNA，并使用病毒酶将其存储在细菌基因组中。
在他们最新的论文中描述的概念验证实验中，该团队创建了一个大肠杆菌菌落，其中逆转录子对化学物质的存在作出反应，翻转大肠杆菌基因组中的一个开关，使其对抗生素产生抗性。然而，这种转化并没有在菌落中每个大肠杆菌细胞内部发生到相同的程度。触发化学物质的浓度越高，最终对抗生素产生抗性的细胞比例就越大。
与以前充当数字形式存储器的方法（像灯开关一样打开或关闭）不同，SCRIBE 可以作为一种“模拟”形式的存储器工作，其功能更像是一个调光开关。存储器不是包含在单个大肠杆菌细胞中，而是包含在整个培养物中。“将存储器分布在整个群体中成为一种强大的做事方式。”
Farzadfard 和 Lu 还表明，这种集体细胞存储器可以被逆转和重写，并且通过将光敏蛋白插入基因电路中，甚至可以被光触发。此外，生物工程师能够使用细胞一次记录两个变量，并认为他们的技术可以很容易地扩展以执行更复杂的任务。
基于逆转录子的基因编辑技术可能会对合成生物学领域之外产生影响。纽约市纪念斯隆凯特琳研究所的干细胞生物学家 Danwei Huangfu 设想利用它来调节用于治疗糖尿病的移植细胞中的基因表达，或者对胰腺组织进行精确的基因改变，同时保持肝细胞不受影响。“这对我来说似乎非常令人兴奋，”她说。
本文经许可转载，首次发表于 2014 年 11 月 14 日。