不同的“事件”如病毒感染，以及暴露于環(huán)境毒素或其他形式的壓力，會改變基因的活性，從而在細胞內留下分子痕跡。這些變化主要發(fā)生在信使RNA(mRNA)水平。這些是在基因被激活和讀取時編碼遺傳信息的分子，這一過程稱為轉錄。研究人員可以通過測量細胞中存在的mRNA分子來準確地研究基因的活性。然而，基因轉錄的痕跡迅速消失：mRNA高度不穩(wěn)定，細胞經常在短時間后降解。

ETH研究員Randall Platt和他在生物系統(tǒng)科學與工程系的同事現在已經開發(fā)出一種分子記錄系統(tǒng)，它將轉錄事件寫入DNA，在那里它們可以永久存儲，然后通過測序進行訪問。

為了創(chuàng)建他們的“錄音設備”，Platt的博士生Florian Schmidt和Mariia Cherepkova使用了CRISPR-Cas系統(tǒng)。CRIPSR-Cas是細菌和古細菌的適應性免疫系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過記錄感染細胞的病原體的遺傳信息起到免疫記憶裝置的作用。這種遺傳信息記錄在稱為CRISPR陣列的特定DNA片段中 - 稱為獲取的過程。

遺傳信息就像一串珍珠

CRISPR陣列能夠存儲源自病原體的短序列DNA，稱為“間隔物”。間隔物通過稱為直接重復的短相同DNA序列彼此分開，就像串上的珍珠一樣。

研究人員使用腸道細菌大腸桿菌，從不同的細菌物種中引入CRISPR-Cas系統(tǒng)的基因。其中一個Cas基因與逆轉錄酶融合，逆轉錄酶是一種使用RNA分子產生編碼相同信息的DNA的酶 - 換句話說，它將RNA轉錄回DNA。

提供該CRISPR-Cas的外源基因的大腸桿菌細胞能夠產生結合短mRNA分子的蛋白質復合物。逆轉錄酶將這些RNA間隔區(qū)翻譯成DNA，含有與原始RNA相同的信息，隨后將它們存儲在CRISPR陣列中。該過程可以多次發(fā)生，使得新的間隔物以相反的時間順序添加到CRISPR陣列，因此最近獲得的DNA片段總是第一個。

原則上，這使得可以在CRISPR陣列內記錄任何數量的間隔物。由于DNA非常穩(wěn)定，因此記錄在其中的信息會長時間存儲，并且也會從一代細菌傳遞到下一代細菌。

“我們的系統(tǒng)是一個生物數據記錄器。它記錄了細菌對外部影響的遺傳反應，使我們能夠在多次細菌生成后獲取這些信息”，該研究的第一作者，最近發(fā)表在該期刊上的Florian Schmidt說。自然。

ETH Randall Platt教授說：“研究人員長期致力于創(chuàng)造合成細胞記憶的形式，但我們是第一個開發(fā)能夠記錄細胞中每個基因表達信息的人。” 研究人員花了兩年多時間研究這個系統(tǒng)。

訪問整個日志

到目前為止，研究人員僅限于在一次快照中測量mRNA。拍攝這些快照通常意味著破壞細胞，提取其mRNA，然后量化它們。相比之下，新的CRISPR-Cas RNA記錄系統(tǒng)記錄了細胞的歷史，使研究人員能夠有效地訪問整個細胞日志，而不僅僅是一個時間點。

作為他們研究的一部分，ETH研究人員記錄了配備有數據記錄器的大腸桿菌對除草劑百草枯的反應。這種物質引起細胞內mRNA轉錄的變化，科學家們甚至可以在除草劑暴露后幾天從CRISPR陣列中讀出這種反應。沒有數據記錄器，細菌與除草劑接觸的任何分子痕跡早就會被破壞，信息就會丟失。

像這樣的生物數據記錄器除了對研究目的感興趣之外，還可以設想用作一種傳感器，用于測量環(huán)境毒素，例如除草劑，或用于診斷。本研究有趣地證明了這種方法的可行性，但實際應用還有很長的路要走。Randall Platt在巴塞爾的研究團隊已經致力于將該系統(tǒng)轉移到其他細胞類型，并為其有效用作診斷工具鋪平了道路。