Используя методику, которая может точно редактировать оснований ДНК, исследователи Массачусетского технологического института создали возможности хранить комплекса “Память” в ДНК живых клеток, включая клетки человека.
Новая система, известная как «домино», может быть использован для записи интенсивность, продолжительность, последовательность и сроки выполнения многих событий в жизни клеток, таких как воздействие некоторых химических веществ. Эта память-емкость хранения может выступать в качестве основы сложных схем, в которых одно событие, или ряд событий, вызывает другое событие, такие как производство флуоресцентного белка.
“Эта платформа дает нам способ кодирования памяти и логических операций в ячейках в масштабируемой моды”, — говорит Фахим Farzadfard, а Шмидт науки-научный сотрудник Массачусетского технологического института и ведущий автор статьи. “Похож на кремниевых компьютеров, для создания сложных форм логики и вычислений, мы должны иметь доступ к огромному объему памяти.”
Приложений для этих типов сложных схем памяти включают в себя отслеживание изменений, которые происходят от поколения к поколению как клетки дифференцируются, или создание датчиков, которые могут обнаружить, и, возможно, лечить, больные клетки.
Тимоти Лу, МИТ доцент кафедры электротехники и компьютерных наук и биологической инженерии, старший автор изучения, которое появляется в августа. 22 вопросе молекулярной клетки. Другие авторы бумаги включают Гарвардского университета аспирант Нава Gharaei, бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института Yasutomi Higashikuni, аспирант Массачусетского технологического института Giyoung Юнг, и МИТ постдок Jicong ЦАО.
Записано в ДНК
Несколько лет назад Лаборатория Лу разработал систему памяти на основе ферментов, называемых recombinases ДНК, который может “перевернуть” сегментов ДНК, когда происходит определенное событие. Тем не менее, этот подход является ограниченным по масштабам: он может записывать только одно или два события, потому что последовательности ДНК, которые должны быть отражено очень большие, и каждая требует различных рекомби Назу.
Тогда Лу и Farzadfard разработать более целенаправленный подход, в котором они могли бы вставить новые последовательности ДНК в определенных местах в геноме, но этот подход работал только в бактериальных клетках. В 2016 году они разработали систему памяти на основе ТРИФОСФАТЫ, геном-редактируя систему, состоящую из ДНК-режущего фермента под названием Cas9 и короткие Стренги рибонуклеиновой кислоты, который направляет фермент в определенном участке генома.
Этот ТРИФОСФАТЫ процесса позволило исследователям вставить мутации в определенных участках ДНК, но он полагался на собственный ДНК-ремонт ячейки машинами для создания мутаций после Cas9 в отрезок ДНК. Это означает, что результаты мутационного не всегда были предсказуемы, что ограничивает количество информации, которое может храниться.
Новая система Domino использует вариант системы CRISPR-Cas9 в фермент, что позволяет более четко определенных мутаций, потому что он непосредственно изменяет и хранит бит информации в базах ДНК, а не ДНК и ждут клетки для того чтобы отремонтировать повреждение. Исследователи показали, что они могли сделать эту систему работать точно как в человеческом, так и бактериальные клетки.
“Эта бумага пытается преодолеть все недостатки предыдущих”, — говорит Лу. “Это дает нам гораздо ближе к окончательному видению, которое является надежной, масштабируемой, и определенными системами памяти, подобно тому, как жесткий диск будет работать.”
Чтобы достичь такого высокого уровня точности, исследователи прикрепили версия Cas9 для недавно разработанный “базовый редактор” фермент, который может конвертировать нуклеотида цитозина на тимин, не нарушая двунитевой ДНК.
Руководство нити РНК, которые направляют в базовый редактор, в котором, чтобы сделать этот переключатель, производятся только при определенных входных данных присутствуют в клетке. Когда один из целевых входов присутствует, гид РНК ведет базовый редактор либо последовательность ДНК, исследователи добавили в ядро клетки, или генов в геном клетки, в зависимости от применения. Измерения результатов цитозина на тимин мутаций позволяет исследователям определить, какие клетки подверглись.
“Вы можете спроектировать систему таким образом, что каждой комбинации входов дает вам уникальную подпись мутационный, и от этой подписи вы можете сказать, какая комбинация входов присутствует,” Farzadfard говорит.
Сложные расчеты
Исследователи использовали домино для создания схем, выполняющих логические расчеты, в том числе и и или ворота, которые можно обнаружить наличие нескольких входов. Они также создали схемы, которые можете записать каскады событий, которые происходят в определенном порядке, аналогично массив эффекта домино.
“Это очень инновационная работа, которая позволяет записывать и восстанавливая клеточную информации с помощью ДНК. Возможность выполнения последовательных или логических вычислений и ассоциативного обучения особенно впечатляют”, — говорит Уилсон Вонг, адъюнкт-профессор биомедицинской инженерии Бостонского университета, который не был вовлечен в исследование. “Эта работа подчеркивает Роман генетических цепей, что может быть достигнуто с помощью системы CRISPR/Cas-номер”.
Большинство предыдущих версиях памяти сотовой памяти требует хранимые воспоминания, чтобы быть прочитан с помощью секвенирования ДНК. Однако, этот процесс разрушает клетки, так что без дальнейших экспериментов можно сделать на них. В этом исследовании, исследователи разработали свои схемы так, что конечный результат будет активировать ген зеленого флюоресцирующего белка (GFP). Путем измерения уровня флуоресценции, исследователи смогли оценить, сколько накопилось мутаций, не убивая клетки. Технология потенциально может быть использована для создания иммунных клеток мыши, которые производят КГП при некоторых сигнальных молекул активации, которые исследователи могли анализировать, периодически берут пробы крови у мышей.
Другим возможным применением является разработка схемы, которые могут обнаружить активность генов, связанных с раком, говорят ученые. Такие схемы также может быть запрограммирован, чтобы включить гены, которые производят противораковые молекулы, что позволяет системе распознавать и лечить болезни. “Те приложения, которые могут быть дальше от реального использования, но, безусловно, позволили этой технологии”, — говорит Лу.
Исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения, Управлением военно-морских исследований, Национальный научный фонд, Агентство перспективных исследовательских проектов МО, МТИ центр микробиом информатики и терапии, и экспедиций НФС в вычислительной премии программы.
