麻省理工學院的生物工程師設計了一種新方法，通過”改寫”細菌的DNA來有效地編輯細菌基因組並將”記憶編入”細菌細胞。 使用這種方法，各種形式的空間和時間資訊可以永久地儲存幾代，並通過對細胞的DNA測序進行檢索。

這種新的DNA編寫技術（研究人員稱之為HiSCRIBE）比以前開發的在細菌中編輯DNA的系統要有效得多，後者每一代的成功率只有大約1/10000。 在一項新研究中，研究人員證明這種方法可用於存儲細胞相互作用或空間位置的記憶。

研究人員表示，這種技術還可以使有選擇地編輯、啟動或沉默生活在自然社區（如人類微生物組）中的某些種類的細菌的基因成為可能。

麻省理工學院前博士後、該論文的主要作者Fahim Farzadfard說：”有了這種新的DNA編寫系統，我們可以在複雜的細菌生態系統內精確、高效地編輯細菌基因組，而不需要任何形式的選擇。 這使我們能夠在實驗室環境之外進行基因組編輯和DNA編寫，無論是對細菌進行工程設計，在原地優化感興趣的性狀，還是研究細菌種群的進化動態和相互作用。 ”

麻省理工學院電氣工程和計算機科學以及生物工程副教授Timothy Lu是這項研究的資深作者，該研究於2021年8月5日發表在《細胞系統》上。 哈佛大學的前研究生Nava Gharaei和麻省理工學院的前研究生Robert Citorik也是這項研究的作者。

基因組書寫和記錄記憶

幾年來，Timothy的實驗室一直在研究如何利用DNA來存儲資訊，如細胞事件的記憶。 2014年，他和Farzadfard開發了一種採用細菌作為”基因組錄音機”的方法，工程大腸桿菌來存儲事件的長期記憶，如化學接觸。

為了實現這一目標，研究人員對細胞進行了改造，使其產生一種叫做retron的逆轉錄酶，這種酶在細胞中表達時產生一種單鏈DNA（SSDNA），還有一種重組酶，它可以將特定的單鏈DNA序列插入（”寫入”）基因組中的一個目標位點。 這種DNA只有在被預先確定的分子或另一種類型的輸入（如光）啟動時才會產生。 在DNA產生后，重組酶將DNA插入一個預設的位點，該位點可以是基因組的任何地方。

這種技術，研究人員稱之為SCRIBE，其寫入效率相對較低。 在每一代中，1萬個大腸桿菌細胞中，只有一個會獲得研究人員試圖納入細胞的新DNA。 這部分是因為大腸桿菌有細胞機制，可以防止單鏈DNA被積累並整合到它們的基因組中。

在新研究中，研究人員試圖通過消除大腸桿菌對單鏈DNA的一些防禦機制來提高該過程的效率。 首先，他們禁用了被稱為外核酸酶的酶，這些酶可以分解單鏈DNA。 他們還敲除了參與一個叫做錯配修復系統的基因，該系統通常會阻止單鏈DNA整合到基因組中。

通過這些修改，研究人員能夠實現他們試圖引入的遺傳變化的近乎普遍的整合，創造了一種無與倫比的、高效的編輯細菌基因組的方法，而不需要選擇。

Farzadfard說：”由於這一改進，我們能夠做一些前一代SCRIBE或其他DNA書寫技術無法做到的應用。 ”

細胞相互作用

在2014年的研究中，研究人員表明，他們可以用SCRIBE來記錄接觸特定分子的持續時間和強度。 通過他們新的HiSCRIBE系統，他們可以追蹤這些類型的暴露，以及其他類型的事件，如細胞之間的相互作用。

作為一個例子，研究人員表明，他們可以跟蹤一個叫做細菌接合（bacterial conjugation）的過程，在這個過程中，細菌交換DNA片段。 通過將一個DNA「條碼」整合到每個細胞的基因組中，然後可以與其他細胞交換，研究人員可以通過對它們的DNA進行測序來確定哪些細胞已經相互作用，看看它們攜帶了哪些條形碼。

這種繪圖可以説明研究人員研究細菌如何在生物膜等聚合體中相互交流。 Farzadfard說，如果類似的方法可以在哺乳動物細胞中部署，那麼有一天它可以被用來繪製其他類型細胞（如神經元）之間的相互作用。 可以穿越神經突觸的病毒可以被程式設計為攜帶DNA”條碼”，研究人員可以用它來追蹤神經元之間的連接，提供一種幫助繪製大腦連接組的新方法。

Farzadfard說：”我們正在使用DNA作為記錄細菌細胞相互作用的空間資訊的機制，也許在未來，被標記的神經元也是如此。 ”

研究人員還表明，他們可以使用這種技術在一個由許多物種組成的社區中專門編輯一種細菌的基因組。 在這種情況下，他們將一種分解半乳糖的酶的基因引入與其他幾種細菌一起培養的大腸桿菌細胞。

研究人員稱，這種物種選擇性編輯可以提供一種新的方法，通過沉默抗生素細菌的抗性基因，使其更容易受到現有藥物的影響。 然而，他們表示，這種治療方法可能還需要幾年的研究來開發。

研究人員還表明，他們可以使用這種技術來設計一個由細菌和噬菌體組成的合成生態系統，這些細菌和噬菌體可以不斷改寫其基因組的某些部分，並以高於自然進化的速度自主進化。 在這種情況下，他們能夠優化細胞消費乳糖的能力。

Farzadfard說：”這種方法可用於細胞性狀的進化工程，或用於實驗性進化研究，允許你一次又一次地重放進化的錄像。 ”