重磅 | Nature：小视频居然可以导入细菌 DNA

网民会通过各种方式存储各种格式的影片视频，现如今，生物学家也不例外。研究人员通过使用微生物免疫系统 CRISPR-Cas，已成功将电影片段编码存储到大肠杆菌的基因组中。

该技术成果于 2017 年 7 月 12 日 在《Nature》率先发布。美国马萨诸塞州哈佛医学院的合成生物学家 Seth Shipman 提到，将编码数据存储进细菌 DNA，有助于存储记录一系列事件的发生发展。Shipman 在过往研究脑神经发育时，因缺乏记录捕捉脑神经细胞运作的技术而受阻。当然，这也激发了他日后探索研究细胞分子水平记录系统的热情。

他说到，「细胞有收集各类信息的途径和能力，我想通过细胞来记录中枢神经系统发育过程中各种分子水平的信息」。

然而，将电影片段刻进活细菌的 DNA 看似容易，但其实为了研发这类系统，需要建立一种可以在单个细胞中记录数百个事件的体系。Shipman 及其同事，包括哈佛医学院遗传学家 George Church，已着手运用免疫系统 CRISPR-Cas，使得诸多科研工作者可以更加准确便利地编辑基因组。

Shipman 团队利用 CRISPR-Cas 可捕获入侵病毒 DNA 序列并将其存储在宿主基因组中的有序阵列上。本质上讲，也就是通过特异性识别，利用 Cas 蛋白定向切割入侵病毒的 DNA。遗传学家也通常运用这种对 DNA 靶向切割的手段来进行基因编辑。

该团队还设计了用于记录图像中像素的编码系统，每个像素对应着不同的核苷酸序列代码。电影片段的每一帧均由 104 段 DNA 序列组成。

图 1

左图展示的是原始图像；而右图则是先对 DNA 进行基因编辑，经细菌多代生长后，对 DNA 提取测序得到的图像。

研究人员精选出的电影片段（图 1），是由英国摄影师 Eadweard Muybridge 早期摄制的《人与动物的动态摄影》系列改编而成。照片展示的是一匹疾驰的名叫 Annie G 的母马。通过每天 1 帧的速率，持续 5 天将 DNA 序列导入大肠杆菌基因组中。

随后对细菌 DNA 进行核苷酸代码的提取测序，以得到高还原度的动态重构图像。因 CRISPR 系统是依次添加 DNA 序列片段，所以整体序列中各片段的位置可用于确定片段所属的原始图帧。

瑞士联邦理工学院的生物工程师 Randall Platt 认为，该基因编辑系统距成为 Shipman 研究脑功能时所渴求的分子摄像机，还有很漫长的路要走，这还需要大量技术进步才能达到这一目标。因为每个像素都是对应独立的 DNA 序列，不存在占用多个 DNA 序列的情况，所以数字电影的信息可存储在像素组群中。

目前，尚未有人尝试将 CRISPR 阵列转移到哺乳动物细胞中。虽然这场编码革命存在各种局限性，但这也是一项不可多得的开创性工作。

CRISPR-Cas 系统还可将 RNA 转换为 DNA，然后将其插入到 CRISPR 的编码序列中。Platt 注意到，这可能打开了使用编码序列追踪基因表达的大门，而不需要通过刻意破坏细胞以抹除 RNA。

北卡罗来纳州半导体研究公司的首席科学家 Victor Zhirnov 认为这项前驱工作是「革命性的」，并希望在此研究基础上进行技术革新。Zhirnov 说：「这就像 1903 年飞天的第一架飞机，虽然最开始只是好奇心而已，但经过短短的十年，那时的飞机已如今日一般令人赞叹。」

参考文献：

1. CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria. Nature. 2017

2. Direct CRISPR spacer acquisition from RNA by a natural reverse transcriptase - Cas1 fusion protein. Science. 2017