科学家制造基因录音机 将细菌转化为长期记忆存储设备

    美国麻省理工学院的工程师们已经将大肠杆菌的基因组转化成为长期的记忆存储设备。他们设想这个稳定、可消除、易取回的记忆将适合一系列应用，例如用于环境和医学监测的传感器。“你可以存储长期信息，”麻省理工学院电子工程、计算机科学和生物工程副教授卢冠达(Timothy Lu)这样说道。“你可以想象一下生活在你肠道里的细菌或者环境细菌拥有这样的系统。”

    这项发表在11月13日的期刊《科学》上的研究克服了细菌基因体内存储记忆的现有方法的好几项局限性，研究高级作者卢这样说道。这些方法需要大量的基因调控元素，从而限制了可以存储的信息量。

    之前的研究还只限于数字记忆，这意味着它们只能存储要么全有或者全无（all-or-nothing）的记忆。卢和他的研究生、文章首席作者法希姆·法尔扎法德(Fahim Farzadfard)计划创立一个存储模拟记忆的系统，从而揭示暴露的程度或者持续时间。为了实现这一目标，他们设计了一个“基因录音机”，使得研究人员可以在任何细菌DNA序列上编写新的信息。

稳定的记忆

    为了编码大肠杆菌从而储存记忆，麻省理工学院的研究人员对细胞进行了改造并生成了一种重组酶，它可以将DNA 或者特定序列的单链DNA 插入到靶点。然而，只有当存在一种预定分子或其他类型的输入信号，例如光时，才能产生这一DNA。

    在生成DNA 后，重组酶将这一DNA 插入细胞基因组的预编程位置。“我们可以定位基因组里的任何位置，这就是为什么我们把它视作一种录音机，因为你可以控制信号写入的位置，”卢冠达说。一旦这一过程记录下了一种暴露，这些记忆将在菌群里储存并代代相传。

    想要取回存储的信息，有几种不同的方法。如果DNA 被插入了基因组的非功能区域，对基因组的测序将会揭示这一记忆是否存储在特定细胞里。或者，研究人员可以定位这些序列从而改变基因。例如，在这项研究里，新的DNA 序列开启了一个抗生素抗性基因，这使得研究人员可以通过向细胞添加抗生素并观察细胞存活的数量，从而确定有多少细胞获得了这一记忆序列。

    通过测量拥有新DNA 序列的细胞在群体中的比例，研究人员可以确定暴露的程度以及持续的时间。在这项研究里，研究人员利用这一系统检测了光、一种叫做IPTG 的乳糖代谢产物以及一种抗生素衍生物aTc。此外它还可以针对许多其它的分子甚至是细胞产生的信号，卢这样解释道。通过刺激细胞并将不同的DNA 片段在同一位置整合，这些信息还可以被消除。然而目前这一过程效率并不高，但研究人员正在努力改善它。

    “这项研究真是令人激动，因为它在单一系统里结合了很多有用的特性：持久性、可模拟性、分布的基因存储且具有一系列读取选项，”美国加州大学圣地亚哥分校的副教授肖恩· 道格拉斯（Shawn Douglas）这样说道，他并没有参与这项研究。“法尔扎法德和卢的这项研究并没有将单个细胞作为一个数字存储设备，而是将整个细胞群作为一个模拟‘硬盘’，从而极大的增加了可以存储和取回的信息量。”

细菌传感器

    这类传感器的环境应用包括监测海洋的二氧化碳水平、酸度或污染物。此外，还可以潜在利用一些生活在人类消化道里的细菌来检测某人的饮食摄入，例如消耗的糖或脂肪量，或者检测肠易激综合征引发的炎症。

    这些基因改造的细菌还可用作生物计算机，卢冠达说道，它们尤其适用于要求进行大量并行处理，例如辨认图像模式的计算类型。

    “由于在一个试管中有数十亿的细菌，现在我们开始利用这样的菌群进行储存记忆或者计算。利用它们进行高度并行的计算可能将非常有趣。它也许比较缓慢，但可能相对节能，”卢说道。

    另一种可能的应用是，通过基因改造在培养皿里培育的活体动物或人类的大脑细胞，研究人员可以追踪在某一特定时间某一特定疾病标记物是否表达或者某个神经元是否活跃。“如果你能够实现细胞内的DNA 自我转化为小型储存设备，然后与你关心的东西关联起来，那么你就可以写下这一信息并随后取回。”卢冠达说道。这项研究得到了美国国家卫生院、海军研究办公室和美国国防高级研究计划局(DARPA)的资金支持。