用 CRISPR 做出世界最小的記錄器

作者 | 發布日期 2017 年 12 月 21 日 7:45 | 分類 生物科技 , 記憶體 follow us in feedly

音訊可以保存在磁帶介質上,而微生物的資料記錄器則可將生物訊號儲存在 CRIPSR 序列中。



CRISPR-Cas 是細菌的一種免疫系統,當外來病原體(例如噬菌體)侵入時,CRISPR-Cas 可將病原體遺留的片段插入自己的基因體中形成間隔序列(Spacer sequence),當同樣敵人再度進犯,CRISPR-Cas 就可以比對序列,進而將敵人的 DNA 剪斷,使它們失去攻擊力。

可以剪輯基因的能力成為基因研究專家的寵兒,他們將這套系統改進並運用在培養的細胞、實驗動物,甚至人類基因上,十多個利用 CRISPR-Cas 系統治療各種疾病的臨床試驗正如火如荼地進行。

不過哥倫比亞大學醫學中心的科學家卻在 CRISPR 記錄功能看到未開發的潛力。「CRISPR-Cas 系統是種天生的細菌記憶體。從工程的觀點來看,這是件好事。這套系統已通過演化的考驗,磨練成很好的記憶系統。」哈利斯‧王(Harris Wang)說。他是哥倫比亞大學醫學中心病理與細胞生物學與系統生物學系的助理教授,他的實驗室最近於《科學》期刊發表了一篇關於 CRISPR 研究的論文。

就像我們將音訊儲存在磁帶介質上,細菌基因體的 CRISPR 位置也累積了許多病毒的年代學紀錄,就像記憶體一樣。因此王博士的實驗團隊發展出一套他們稱為 TRACE(temporal recording in arrays by CRISPR expansion)的生物系統。

首先科學家修飾一段稱做質體的 DNA,讓它在收到外來訊號後能大量複製,稱做觸發質體;另外科學家也建構出會表達 Cas 蛋白質的記錄質體。在同時帶有記錄質體和觸發質體的大腸桿菌中,如果沒有外來訊號的刺激,只有記錄質體和極少量的觸發質體會被 CRISPR-Cas 系統插進 CRISPR 序列形成間隔;反之,不僅整體的間隔序列增加,來自觸發質體的整體比例也跟著提高。不只如此,他們還發現隨著觸發質體的套數(Copy number)增加,來自觸發質體的間隔序列占的比例也會跟著提高。

不過要成為有用的生物記錄器這樣遠遠不夠,應該還需要正確記錄訊號的先後順序,也就是說插入 CRISPR 序列的順序應該和釋放訊號的順序相關。一開始科學家觀察到來自觸發質體的間隔序列所占的比例會和訊號出現次數成正比,因此他們認為系統可以當作簡單的訊號計數器。不過其實它能做到更好:接下來他們就發現觸發質體在間隔序列的位置和釋放訊號的時間呈高度相關,表示訊號的時間先後也是可以正確記錄的。

藉由這樣的改造,這種存在於細菌體內的記錄器可記錄細菌與周圍環境的連結,「這種細菌如果被人類吃下肚,也許可以記錄它們在腸胃道的整個過程,讓我們看到原本觀測不到的現象。」王博士說。只要記錄根據不同環境產生的訊號差異,科學家就能利用運算工具讀取紀錄及記錄時間。

論文也證明 TRACE 可同時處理至少 3 種訊號,以及長達數天的記憶容量。「現在我們正把目光放在一些標記物,腸胃道系統中它們會在自然狀態和疾病狀態的轉換時出現變化。」王博士說,可見這套系統也具有潛力應用到其他疾病的診斷,接下來就讓我們期待這種細菌記錄器能帶給我們什麼樣的突破吧。

(首圖來源:王實驗室/哥倫比亞大學醫學中心)

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