把大肠杆菌变成记忆储存设备

这项研究是由麻省理工学院生物工程、电子工程和计算机科学副教授蒂莫西·卢领导的。

鲁说:“你可以储存长期信息。你可以想象从你的肠道细菌或环境细菌中获得这个系统。拿出来几天或几个月，然后放回去，看看在定量水平上会发生什么。”

研究人员在11月13日的《科学》杂志上详细描述了这一新策略。卢官达说，它克服了现有细菌基因组存储记忆方法的一些局限性。目前的方法需要大量的基因调控元件，这限制了可以存储的信息量。

早期的研究工作也仅限于数字记忆，这意味着他们只能存储全有或全无的记忆，比如某个特定事件是否会发生。本论文的主要作者和研究生卢官达和法希姆·法扎德打算建立一个能够存储模拟记忆的系统，该系统能够揭示暴露的程度和持续时间。为此，他们设计了一种“基因组记录器”，以便研究人员能够将早期信息写入所有细菌的DNA序列。

稳定记忆

为了给大肠杆菌编程以储存记忆，麻省理工学院的研究人员对细胞进行了改造，使其产生一种重组酶，这种酶可以将脱氧核糖核酸或特定的单链脱氧核糖核酸序列插入目标位点。然而，只有当存在预定的分子或其他类型的输入信号(例如光)时，该DNA才能被激活。

在产生DNA后，重组酶将该DNA插入细胞基因组中预先编程的位点。“我们可以瞄准基因组中的任何一个位点，这就是为什么我们把它看作一个记录器，因为你可以控制信号写在哪里，”卢甘达说。

一旦通过这一过程记录了暴露，这种记忆就可以储存在植物群中并代代相传。

有几种不同的方法来检索这些存储的信息。如果将脱氧核糖核酸插入基因组的非功能区，对基因组测序将揭示这种记忆是否储存在特定的细胞中。或者研究人员可以瞄准这些序列来改变基因。例如，这项研究中的新DNA序列打开了一个抗生素抗性基因。研究人员可以通过给细胞添加抗生素并观察存活的细胞数量来确定有多少细胞获得了这种记忆序列。

通过检测具有这种DNA序列的细胞在群体中的比例，研究人员可以确定暴露的程度和持续时间。卢官达说，在这篇文章中，研究人员使用该系统检测光，一种称为IPTG的乳糖代谢物，和aTc，一种抗生素衍生物。它也可以被定制成由许多其他分子或细胞产生的信号。

这种信息也可以通过刺激细胞或将不同的DNA片段整合到同一个位点来消除。目前，这一过程的效率不是很高，但研究人员正在努力改进。

细菌传感器

这种传感器可用于环境应用，包括监测海洋中的二氧化碳水平、酸度或污染物。此外，还可以设计一些生活在人体消化道中的细菌来检测一个人的饮食摄入，例如他们消耗了多少糖或脂肪，或者检测由肠易激综合征引起的炎症。

卢官达说，这些转基因细菌也可以用作生物计算机，它们特别适合需要大量并行处理的各种计算，例如识别图像模式。

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“由于试管中有数十亿细菌，现在我们开始使用更多的细菌来存储记忆和进行计算。完成高度并行的计算可能很有趣。这可能很慢，但也可能节省能源，”他说。

另一个可能的应用是操纵在培养皿中培养的活体动物或人类细胞的脑细胞，这将使研究人员能够跟踪疾病标记物是否被表达或者神经元是否在特定时间被激活。“如果你能把细胞中的DNA转换成一个小的存储装置，并把它和你关心的东西联系起来，你就能写下这些信息并提取出来，”卢甘达说。