DNA为纸,逆转录酶为笔,卢冠达团队打开基因组高效书写的新大门

2021
08/30

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生物世界
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研究团队发明了一种新的DNA书写(DNA Writing)方法——HiSCRIBE。

撰文|nagashi
编辑|王多鱼
排版|水成文

文字,是人类记录思想、交流思想或承载语言的图像和符号,同时也是人类文明诞生的一个重要象征。古往今来,文字的载体的经历了漫长的演化,从石壁到兽皮,从龟甲到竹简,从纸张到智能设备。得益于此,直至今天,我们还能欣赏数千年前的甲骨文,领略盛唐的传世诗篇,通读记载王朝变迁的典史。


归根结底,文字记录的是一种信息。从这来看,自然生物中承载物种遗传信息的DNA序列实际上也是一种特殊的信息载体。我们想象一下,如果我们以DNA为信笺,那么这封书信是否就会随着生物的繁衍一代代地传下去?


2021年8月5日,麻省理工学院卢冠达等人在 Cell Systems 期刊上发表了题为:Efficient retroelement-mediated DNA writing in bacteria 的研究论文。


研究团队发明了一种新的DNA书写(DNA Writing)方法——HiSCRIBE这种方法通过重写细菌的DNA,有效地编辑细菌基因组,并将记忆程序写入细菌细胞。通过HiSCRIBE,各种形式的空间和时间信息可以随细菌繁衍而永久存储,并且可以通过DNA测序读取这些信息。



近年来,该论文的通讯作者、麻省理工学院副教授卢冠达及其领导的研究团队一直致力于研究利用DNA来存储信息的方法,比如对细胞事件的记忆。


2014年,他和前麻省理工学院博士后、这篇论文的第一作者 Fahim Farzadfard 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,研究团队设计细胞产生一种逆转录酶——Retron,以此生成一个单链DNA(ssDNA),这种DNA只有在被预先确定的分子或其他类型的输入(例如光)激活时才会产生。ssDNA产生后,细胞中的另一种酶——重组酶就将它插入到一个预先设定好的位点,这个位点可以是基因组的任何地方。


然而,这种被研究人员称为SCRIBE的技术的书写效率相对较低:在每一代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。这是因为大肠杆菌具有防止ssDNA积累和整合到其基因组中的细胞机制。


SCRIBE的设计模式图和书写效率

在这项新研究中,研究团队试图通过消除大肠杆菌对ssDNA的防御机制来提高这一过程的效率。首先,研究人员抑制了外切酶,这种酶能分解ssDNA。此外,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,极大地提高了书写效率,由此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。因此,他们将这种全新的DNA书写方法称为“HiSCRIBE”。

论文的第一作者 Fahim Farzadfard 表示,有了这个新的DNA书写系统,就可以在复杂的细菌生态系统中精确而有效地编辑细菌基因组,而不需要任何形式的选择。由于这种改进,能够做一些用上一代SCRIBE或其他DNA书写技术做不到的应用。

通过HiSCRIBE对细菌基因组进行高效、特异性、无疤痕和顺式元件的独立编辑

值得注意的是,在2014年的研究中,研究人员可以使用SCRIBE记录暴露于特定分子的持续时间和强度。如今,通过新的HiS-CRIBE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,研究团队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。基于此,研究团队设计了“DNA条形码”,通过将这些DNA条形码整合到细菌的基因组中,然后与其他细菌进行交换。最后研究人员可以通过DNA测序,检测出哪些细菌携带了DNA条形码,由此确定哪些细菌进行了细菌结合。

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。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。这为绘制大脑连接体提供了一种新方法。

细菌接合的空间模式和连接体

不仅如此,研究人员还表示,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。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得耐药细菌对现有药物更敏感。

此外,这种技术也可以用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!例如,在这种情况下,他们能够优化细菌消耗乳糖的能力。

通过HiSCRIBE持续进化一个期望的基因组位点

总的来说,HiSCRIBE系统的出现,让我们能够在实验室之外进行基因组编辑和DNA书写,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。

关于卢冠达


卢冠达 ,麻省理工学院生物工程学、电机工程和计算机科学副教授,在麻省理工读博期间师从合成生物学大牛 James Collins,在基因编辑、合成生物学、肠道菌群等领域取得了一系列重要突破。曾参与创立多家生物公司,其中包括 Synlogic (通过基因工程改造肠道菌群来治疗疾病,已在纳斯达克上市) ,以及 Senti Biosciences (基于基因电路的癌症细胞治疗,于今年年初获得1.05亿美元B轮融资)

论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.cels.2021.07.001



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关键词:
麻省理工学院,ssDNA,逆转录酶,大肠杆菌,基因组,DNA,研究,方法

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