卢冠达（Timothy Lu）

这种新的DNA书写技术被研究人员称为HiSCRIBE，它比之前开发的细菌DNA编辑系统要高效得多，后者每一代的成功率只有1 / 10000细胞。在一项新的研究中，研究人员证明了这种方法可以用来存储关于细胞相互作用或空间位置的记忆。

研究人员说，这项技术还可以选择性地编辑、激活或沉默生活在自然群落(如人类微生物组)中的某些细菌物种的基因。

“有了这个新的DNA书写系统，在复杂的细菌生态系统中，我们可以精确而有效地编辑细菌基因组，而不需要任何形式的选择，”前麻省理工学院博士后、这篇论文的第一作者法希姆·法扎法德(Fahim Farzadfard)说。“这使我们能够在实验室之外进行基因组编辑和DNA编写，无论是设计细菌、优化原位感兴趣的性状，还是研究细菌种群的进化动态和相互作用。”

卢冠达（Timothy Lu）是麻省理工学院电子工程、计算机科学和生物工程副教授，是这项研究的资深作者，今天发表在《细胞系统》(Cell Systems)上。哈佛大学(Harvard University)前研究生纳瓦·哈拉伊(Nava Gharaei)和麻省理工学院(MIT)前研究生罗伯特·西托里克(Robert Citorik)也是这项研究的作者。

基因组书写和记录记忆

几年来，卢冠达的实验室一直在研究利用DNA来存储信息的方法，比如对细胞事件的记忆。2014年，他和法扎法德开发了一种方法，利用细菌作为“基因组磁带记录器”，对大肠杆菌进行工程改造，以存储化学暴露等事件的长期记忆。

为达到这一目的,研究人员设计细胞产生一种逆转录酶的酶称为retron,产生一个单链DNA (ssDNA)细胞中表达时,和重组酶的酶,它可以插入(“写”)的特定序列的单链DNA基因组中到目标站点。这种DNA只有在被预先确定的分子或其他类型的输入(如光)激活时才会产生。DNA产生后，重组酶将DNA插入一个预先设定好的位点，这个位点可以在基因组的任何地方。

这种被研究人员称为SCRIBE的技术的写作效率相对较低。在每一代中，10000个大肠杆菌细胞中，只有一个能够获得研究人员试图整合到细胞中的新DNA。这在一定程度上是因为大肠杆菌具有防止单链DNA积累和整合到其基因组中的细胞机制。

在这项新研究中，研究人员试图通过消除大肠杆菌对单链DNA的防御机制来提高这一过程的效率。首先，他们禁用了一种叫做外切酶的酶，这种酶能分解单链DNA。他们还敲除了与错配修复系统有关的基因，该系统通常会阻止单链DNA与基因组的整合。

通过这些修改，研究人员能够实现他们试图引入的基因变化的近乎普遍的融合，创造了一种不需要选择就可以编辑细菌基因组的无与伦比、高效的方法。

法扎法德说:“由于这种改进，我们能够做一些用上一代SCRIBE或其他DNA书写技术做不到的应用。”

细胞间的相互作用

在2014年的研究中，研究人员表明，他们可以使用SCRIBE记录暴露于特定分子的持续时间和强度。通过他们新的HiSCRIBE系统，他们可以追踪这些类型的暴露以及其他类型的事件，如细胞之间的相互作用。

作为一个例子，研究人员展示了他们可以追踪一个被称为细菌接合的过程，在此过程中细菌交换DNA片段。通过将DNA“条形码”整合到每个细胞的基因组中，然后可以与其他细胞进行交换，研究人员可以通过对DNA测序，看看它们携带的条形码，来确定哪些细胞相互作用了。

这种图谱可以帮助研究人员研究细菌是如何在生物膜等聚集物中相互交流的。法扎法德说，如果类似的方法可以应用于哺乳动物细胞，那么有一天它可以用来绘制神经元等其他类型细胞之间的相互作用。可以穿越神经突触的病毒可以被编程携带DNA条形码，研究人员可以用它来追踪神经元之间的连接，这为绘制大脑连接体提供了一种新方法。

法扎法德说:“我们正在利用DNA作为一种机制来记录细菌细胞相互作用的空间信息，也许在未来，还可以记录被标记的神经元。”

研究人员还表明，他们可以使用这种技术专门编辑一个细菌群落中的一个细菌的基因组。在这种情况下，他们引入了一种酶的基因，这种酶可以分解半乳糖，使大肠杆菌细胞在与其他几种细菌的培养中生长。

研究人员说，这种物种选择性编辑可以提供一种新的方法，通过沉默耐药基因，使耐药细菌对现有药物更敏感。然而，他们说，这类治疗可能还需要几年的研究才能开发出来。

研究人员还表明，他们可以利用这种技术来设计一个由细菌和噬菌体组成的合成生态系统，这种生态系统可以不断重写其基因组的某些片段，并以比自然进化更高的速度自主进化。在这种情况下，他们能够优化细胞消耗乳糖的能力。

法扎法德说:“这种方法可以用于细胞特性的进化工程，或者通过让你一遍又一遍地回放进化的录像带，用于实验性的进化研究。”

参考文献

 Efficient retroelement-mediated DNA writing in bacteria