工程化细菌储存化学曝光的记忆

麻省理工学院的新研究揭示了设计师大肠杆菌可以存储化学暴露和其他事件的长期记忆。

麻省理工学院工程师已经将细菌大肠杆菌的基因组转化为用于存储器的长期存储装置。他们设想这种稳定，可擦除且易于检索的内存将非常适用于环境和医学监测传感器等应用。

“您可以存储非常长期的信息，”电气工程与计算机科学与生物工程副教授Timothy Lu说。“你可以想象在一个生活在你的肠道或环境细菌中的细菌中有这种系统。你可以把它放在几天或几个月里，然后稍后回来看看在定量水平发生的事情。“

Lu表示，在杂志科学中，在COSSCOLSCOCL中描述的新策略克服了在细菌基因组中储存储存记忆的现有方法的几个限制。这些方法需要大量的遗传调节元素，限制可以存储的信息量。

早期的努力也仅限于数字记忆，这意味着它们只能录制全部或无所作的存储器，例如是否发生了特定事件。卢和研究生Fahim Farzadfard，纸张的主要作者，旨在创建一个存储模拟记忆的系统，这可以揭示那里的曝光程度或持续多久。为实现这一目标，他们设计了一个“基因组录音机”，让研究人员将新信息写入任何细菌DNA序列。

稳定的记忆

为了将E. Coli细菌进行储存记忆，MIT研究人员设计了细胞以产生重组酶，其可以将DNA插入目标位点中的DNA或单链DNA的特定序列。然而，该DNA仅在通过存在预定分子的存在或另一种类型的输入时被激活而产生的DNA，例如光。

在制备DNA之后，重组酶在预编程位点将DNA插入细胞基因组中。“我们可以在基因组中的任何地方瞄准它，这就是我们将其视为录音机的原因，因为您可以指示该信号写入的位置，”Lu说。

一旦通过该过程记录了曝光，存储器被存储用于细菌种群的寿命并从代代生成。

有几种不同的方法可以检索这个存储的信息。如果将DNA插入到基因组的非功能部分中，则对基因组进行测序将显示存储器是否存储在特定的细胞中。或者，研究人员可以靶向序列来改变基因。例如，在该研究中，新的DNA序列在抗生素抗性基因上转动，允许研究人员通过向细胞添加抗生素并观察有多少胞质来确定有多少细胞。

通过测量具有新DNA序列的人群中细胞的比例，研究人员可以确定有多少曝光以及它持续了多长时间。在本文中，研究人员使用该系统来检测光，乳糖代谢物称为IPTG，以及称为ATC的抗生素衍生物，但它可以根据细胞产生的许多其他分子甚至是由细胞产生的信号量身定制。

还可以通过刺激细胞在同一点掺入不同的DNA来擦除信息。这个过程目前不是很有效，但研究人员正在努力改进它。

“这项工作非常令人兴奋，因为它在一个系统中集成了许多有用的功能：长期持久，模拟，分布式基因组存储，具有各种读数选项，”圣地亚哥加州大学助理教授肖恩道格拉斯说没有参与研究。“而不是将每个inpidual单元视为数字存储设备，Farzadfard和Lu将整个细胞群视为模拟”硬盘驱动器“，大大增加了可以存储和检索的信息总量。”

细菌传感器

这种类型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，细菌可能旨在旨在生活在人体消化道中，以监测某人的膳食摄入，例如消耗多少糖或脂肪，或者检测来自肠易激疾病的炎症。

鲁说，这些工程化细菌也可以用作生物计算机，并补充说，它们在需要大量并行处理的计算类型中特别有用，例如从图像中拾取图案。

“因为在给定的测试管中有数十亿和数十亿个细菌，现在我们可以开始利用更多的人群进行存储器存储和计算，这可能有趣的是做高度并行化计算。它可能很慢，但它也可能是节能的，“他说。

另一种可能的应用是生物动物或在培养皿中生长的人体细胞的工程脑细胞，以允许研究人员跟踪某些疾病标记是否表达或神经元在一定时间内是否活跃。“如果你自己可以将小区内的DNA转变为一个小记忆设备，然后将其链接到您关心的东西，您可以编写该信息，然后后来提取它，”Lu说。

该研究由国家卫生研究院，海军研究办公室和国防高级研究项目局资助。

出版物：Fahim Farzadfard和Timothy K. Lu，“基因组编码的模拟记忆与生活细胞群体中的体内DNA写作精确，”2014年11月14日：卷。 346号。 6211; DOI：10.1126 / science.1256272

图像：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）