姓名：傅高鳴 學號：16140288007
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【嵌牛導讀】：想每時每刻知道身體里發(fā)生的故事，想仔仔細細了解環(huán)境中微生物的變化，卻又無計可施？別著急，科學家們“黑”了大腸桿菌的免疫系統(tǒng)，幫我們做成了生物“黑盒子”——即 CRISPR“攝錄機”。
【嵌牛鼻子】：最小攝錄機
【嵌牛提問】：最小攝錄機是以什么為載體
【嵌牛正文】：
圖丨哥倫比亞大學學者借用 CRISPR 系統(tǒng)構建最小攝錄機
近日，來自美國哥倫比亞大學（Columbia University）的研究團隊借助 CRISPR-Cas 這種細菌中與生俱來的免疫系統(tǒng)，設計了一種可以記錄微環(huán)境中環(huán)境、分子信號變化情況的“攝錄機”，該系統(tǒng)至少可以同時記錄三種信號，并可以多日連續(xù)工作，該研究的細節(jié)發(fā)表在 11 月 23 日的《科學》雜志上。
“患者一旦吞下攜帶有該系統(tǒng)的細菌，這個‘攝錄機’就有可能會跟隨消化系統(tǒng)記錄人體內(nèi)的情況，這個系統(tǒng)為人們提供了一個從未有過的視角，一個從未到達的世界?！眮碜愿鐐惐葋喆髮W醫(yī)學中心合成生物學和病理及細胞生物學的助理教授 Harris Wang 介紹到，他也是本文的通訊作者。
當然這個系統(tǒng)的功能不僅限于此，通過對環(huán)境中不同化學物質(zhì)變化的響應，這項技術可以在不破壞周圍環(huán)境的情況下記錄環(huán)境中不可見的變化，未來該系統(tǒng)很可能被應用于環(huán)境學和微生物學的基礎研究中，對生態(tài)系統(tǒng)中的污染進行檢測及分析。
那么“黑盒子”的核心究竟是什么？和我們知道的“魔剪”又有何關系呢？
如今提起 CRISPR-Cas 系統(tǒng)，首先想到的是他“基因魔剪”遺傳信息編輯工具的身份，但是追溯起來，它卻是細菌和古生菌中廣泛存在的一種自身防御系統(tǒng)。CRISPR（Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats）簇是一個特殊 DNA 重復序列家族，在其上游存在一個多態(tài)性的家族基因，該基因編碼的蛋白均可與 CRISPR 序列區(qū)域共同發(fā)生作用。因此，該基因被命名為 CRISPR 關聯(lián)基因（CRISPR associated，Cas）。Cas 基因與 CRISPR 序列共同進化，形成了在細菌中高度保守的 CRISPR-Cas 系統(tǒng)。
當外源遺傳物質(zhì)入侵時，細菌中的 CRISPR-Cas 系統(tǒng)首先會將入侵的外源 DNA 信息整合到自身 CRISPR 序列中，當病毒再次入侵時，CRISPR-Cas 系統(tǒng)可對其進行識別并摧毀。
而正是基于這一功能，一代又一代的細菌基因組中記錄了大量外源入侵病毒的 DNA 信息，這簡直是天賜的禮物，而哥倫比亞大學的科學家們抓住了這個機會。
“CRISPR-Cas 系統(tǒng)就是一個天然的生物記憶設備?！盚arris Wang 說到。那既然人類已經(jīng)可以通過電子設備記錄聲音或影像信息，是否可以使用這種天賜的記憶設備來記錄活體細胞內(nèi)的變化呢？正是基于這一設想，本文的第一作者 Ravi Sheth 開始了他的實驗，并最終創(chuàng)建了 TRACE（temporal recording in arrays by CRISPR expansion）系統(tǒng)。
首先團隊合成兩種質(zhì)粒，其中一種可以在特定的環(huán)境及信號下做出反應，并隨之擴增，相當于指示物檢測器；另一種則用來表達 CRISPR-Cas 系統(tǒng)的元件，定期將一段間隔序列拷貝到 CRISPR 位點上，為這個攝錄系統(tǒng)提供一個時間軸。
當沒有外界信號刺激時，CRISPR-Cas 系統(tǒng)中會不停的加入空白序列以記錄時間，當特殊的代謝信號如銅、巖藻糖甚至是一些疾病指示物出現(xiàn)時，自我復制的質(zhì)粒會被激活，進而使其相關序列插入 CRISPR 位點上，成為分子磁帶內(nèi)容的一部分。
質(zhì)粒（plasmid）是細菌染色體外的遺傳物質(zhì)，存在于細胞質(zhì)中，具有自主復制的能力，大部分的質(zhì)粒都是閉合環(huán)狀。
圖丨該系統(tǒng)可連續(xù)多日記錄多種信號
隨后科研人員可以通過對細菌 CRISPR 位點的讀取及計算研究，還原“時間軸”上發(fā)生的一切事件?！斑@種方法可以穩(wěn)定的記錄多天信息，并可以精準的重建時間和親緣信息”研究人員介紹到，目前該系統(tǒng)至少可以同時記錄三種信號。
“從編輯的角度來說，CRISPR-Cas 系統(tǒng)真的是相當出色，他經(jīng)過進化的重重磨練而臻于完美，同時在信息儲存方面也異常的出色。”對于 CRISPR-Cas 系統(tǒng)，Harris Wang 贊不絕口，同樣看好其存儲功能的還有遺傳學泰斗、哈佛大學的 George Church 教授。
圖丨哈佛大學研究者使用 CRISPR 基因編輯系統(tǒng)將“騎手與奔跑的馬”GIF 載入活體細菌 DNA 中（左：原始圖片 右：細菌存儲重建圖片）
今年 7 月，George Church 團隊在《自然》雜志上發(fā)文介紹了他們的研究內(nèi)容，他們將 19 世紀 70 年代著名的影像“騎手與奔跑的馬”拆分成 5 幀，將每個圖像的單個像素轉(zhuǎn)換成 DNA 的基本結(jié)構—核苷酸，通過 CRISPR 基因編輯系統(tǒng)將一段編碼短動圖的核苷酸序列嵌入存活的大腸桿菌體內(nèi)。隨后通過對細菌 DNA 的測序，以及對像素核苷酸代碼進行讀取，重建圖像，實現(xiàn)存儲功能。
不僅如此，由于 CRISPR-Cas 精準的 DNA 靶向功能，近年來它被廣泛應用多種生物的遺傳信息編輯中。就在本月，美國展開了首例人體活體基因編輯臨床試驗，被稱為可能帶來整個生命科學領域的技術革命，CRISPR 當之無愧。
未來，Wang 和他的團隊將把注意力放在尋找不同狀態(tài)下的指示物上，不僅僅是在腸胃系統(tǒng)或是疾病狀態(tài)，也可能是微生物環(huán)境甚至是生態(tài)環(huán)境中。
無論如何，感謝 CRISPR-Cas 系統(tǒng)，讓我們有機會安裝生命的“黑匣子”，給生命多一層保障。
