送你一段祖传DNA里的小电影好不好？

原文以Lights, camera, CRISPR: Biologists use gene editing to store movies in DNA为标题

发布在2017年7月12日的《自然》新闻上

原文作者：Heidi Ledford

在大肠杆菌上应用的技术对如何将关键事件记录在细胞生命中提出建议。

互联网用户有多种可供他们选择的格式来存储电影，现在生物学家也加入进来了。研究者使用微生物的免疫系统CRISPR-Cas将一段视频编入大肠杆菌的基因组中。

奔驰的母马Annie G的原始图像（左）和被编码到细菌DNA中并使用基因编辑工具CRISPR复原的图像（右）

Seth Shipman

美国哈佛大学医学院的合成生物学家Seth Shipman说，这项发表在7月12日《自然》上的科技成果向建立可以对事件编码的细胞记录系统又迈近了一步。在研究大脑发育时，Shipman由于缺乏一种能够捕获脑中细胞如何发展出不同分工的技术而沮丧。这激发他去探索制作细胞记录器的可能性。

他说：“细胞可以方便地接触各种信息，我想让这些分子记录仪在发育中的神经系统运行并记录相关信息。”

基因剪刀CRISPR

然而，为了开发这样一个系统，他的团队需要建立一种能够将上百个事件记录在一个细胞里的方法。Shipman和同事，包括哈佛大学的遗传学家George Church，采用的是CRISPR–Cas免疫系统，它最大的特点是能够让研究者采用相对简便的操作和高准确度修改基因组。

Shipman团队利用这种能力捕获来自入侵病毒的DNA片段，并将其有序存储在宿主基因组中。在自然界，这些片段随后靶向结合一种酶，并剪切入侵者的DNA。（遗传学家通常采用这种目标DNA剪切来进行基因编辑。）

该团队专门设计的系统保证这些片段与图像中的像素相对应。研究人员将每个像素的明暗程度及指示其在图像中位置的条码编为33个DNA字母。电影的每一帧由104组这种DNA片段组成。

一幅手的图像（左）被编入细菌DNA，在细菌繁衍几代后被提取（右）。

Seth Shipman

研究人员选择的视频由五帧组成，改编自英国摄影师Eadweard Muybridge的《人与动物运动》系列。这些照片展示的是1887年一匹名为Annie G.的母马奔驰。

研究团队以每天1帧的速度将DNA引入大肠杆菌 ，整个过程历时5天。然后，研究人员对菌群中的CRISPR区域进行测序，以恢复图像。由于CRISPR系统添加DNA片段是有序的，因此阵列中每个片段的位置可以被用来确定每个片段所属的原始帧。

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编码的革命

这个系统距离成为Shipman梦想的大脑细胞活动记录仪还有很长的距离。瑞士联邦理工学院（苏黎世）的生物工程师Randall Platt指出，还需要大量实质性的技术进步才能到达这一目标。因为一个细胞只能存储来自一帧的一个DNA片段，所以电影的信息是存储在一群细胞中的。而且目前还没有人将CRISPR阵列转移到哺乳动物细胞中。他评价说：“尽管这个系统还有很大的局限性，但他们的工作是前沿开创性工作。这种方法非常巧妙。”

其他CRISPR–Cas系统能够将RNA转化为DNA，然后将其插入CRISPR阵列。Platt指出，这让在不破坏细胞的情况移除RNA，同时使用阵列追踪基因表达成为可能。

位于美国达勒姆市的半导体研究公司的首席科学家Victor Zhirnov称这项工作是“革命性的”，并希望在他能在自己的研究基金会中优化这种技术。Zhirnov说：“这好比就是1903年第一架飞行的飞机：仅仅是件新奇玩物。但是十年之后的飞机就已经和我们现在的飞机大同小异了。”ⓝ

Nature|doi:10.1038/nature.2017.22288

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