Verdens mindste båndoptager er bygget af mikrober

Gennem et par kloge molekylære hack, forskere ved Columbia University Medical Center har konverteret et naturligt bakterielt immunsystem til en mikroskopisk dataoptager, lægger grunden til en ny klasse teknologier, der bruger bakterieceller til alt fra sygdomsdiagnose til miljøovervågning.

Forskerne modificerede en almindelig laboratoriestamme af den allestedsnærværende menneskelige tarmmikro Escherichia coli , gør det muligt for bakterierne ikke kun at registrere deres interaktioner med miljøet, men også tidsstemple begivenhederne.

"Sådanne bakterier, sluges af en patient, måske kunne registrere de ændringer, de oplever gennem hele fordøjelseskanalen, giver et hidtil uset syn på tidligere utilgængelige fænomener, "siger Harris Wang, adjunkt i Institut for Patologi og Cellebiologi og Systembiologi ved CUMC og seniorforfatter om det nye værk, beskrevet i dagens nummer af Videnskab . Andre anvendelser kan omfatte miljøføling og grundlæggende undersøgelser inden for økologi og mikrobiologi, hvor bakterier kunne overvåge ellers usynlige ændringer uden at forstyrre deres omgivelser.

Wang og medlemmer af hans laboratorium skabte den mikroskopiske dataoptager ved at udnytte CRISPR-Cas, et immunsystem i mange bakteriearter. CRISPR-Cas kopierer uddrag af DNA fra invaderende vira, så efterfølgende generationer af bakterier kan afvise disse patogener mere effektivt. Som resultat, CRISPR -locus for bakteriens genom akkumulerer en kronologisk oversigt over de bakterielle vira, som det og dets forfædre har overlevet. Når de samme vira forsøger at inficere igen, CRISPR-Cas-systemet kan genkende og fjerne dem.

"CRISPR-Cas-systemet er en naturlig biologisk hukommelsesenhed, "siger Wang." Set fra et ingeniørperspektiv er det faktisk ganske rart, fordi det allerede er et system, der er blevet finpudset gennem evolution for at være virkelig godt til at gemme information. "

CRISPR-Cas bruger normalt sine registrerede sekvenser til at detektere og skære DNA'et fra indkommende fager. Specificiteten ved denne DNA-skæringsaktivitet har gjort CRISPR-Cas til genterapiforskernes skat, som har ændret det for at foretage præcise ændringer i genomerne af dyrkede celler, forsøgsdyr, og endda mennesker. Ja, over et dusin kliniske forsøg er nu i gang med at behandle forskellige sygdomme gennem CRISPR-Cas genterapi.

Men Ravi Sheth, en kandidatstuderende i Wangs laboratorium, så urealiseret potentiale i CRISPR-Cas's optagefunktion. "Når du tænker på at optage midlertidigt skiftende signaler med elektronik, eller en lydoptagelse ... det er en meget kraftfuld teknologi, men vi tænkte, hvordan kan du skalere dette til levende celler selv? "siger Sheth.

For at bygge deres mikroskopiske optager, Sheth og andre medlemmer af Wang -laboratoriet modificerede et stykke DNA kaldet et plasmid, giver den mulighed for at oprette flere kopier af sig selv i bakteriecellen som reaktion på et eksternt signal. Et separat registreringsplasmid, som driver optageren og markerer tid, udtrykker komponenter i CRISPR-Cas-systemet. I mangel af et eksternt signal, kun registreringsplasmidet er aktivt, og cellen tilføjer kopier af en spacersekvens til CRISPR -locus i dets genom. Når et eksternt signal registreres af cellen, det andet plasmid aktiveres også, hvilket i stedet fører til indsættelse af dens sekvenser. Resultatet er en blanding af baggrundssekvenser, der registrerer tid og signalsekvenser, der ændres afhængigt af cellens miljø. Forskerne kan derefter undersøge det bakterielle CRISPR -locus og bruge beregningsværktøjer til at læse optagelsen og dens timing.

Det nuværende papir viser, at systemet kan håndtere mindst tre samtidige signaler og optage i flere dage.

"Nu planlægger vi at se på forskellige markører, der kan ændres under ændringer i naturlige eller sygdomstilstande, i mave -tarmsystemet eller andre steder, "siger Dr. Wang.

Syntetiske biologer har tidligere brugt CRISPR til at gemme digte, bøger, og billeder i DNA, men det er første gang, CRISPR er blevet brugt til at registrere mobilaktivitet og timingen af ​​disse hændelser.

Det Videnskab papiret har titlen, "Multiplex -optagelse af mobilhændelser over 1 gang til et biologisk tape fra CRISPR."