这是一个生物学和核算机科学结合的模范，麻省理工学院的科学家运用基因修正技能将细胞变为微型核算机，可完成读取、写入和履行的功用。
DNA核算机在1990年代就呈现了，与电子核算机用“0”和“1”来贮存信息不同，DNA核算机将信息贮存在构成DNA分子的A、C、G、T中。只是这些DNA信息在活细胞中不容易改动，因而核算缓慢。所以麻省理工学院的科学家希望加快这一进程，发明晰一种称作DOMINO的技能，该技能全称是依据DNA的有序存储器和迭代网络运行者。它建立在CRISPR基因修正技能根底上，旨在呼应小分子或光照等生物信号。
8月22日，这篇文章以《活细胞中单核苷酸分辨率的核算和贮存》为题宣布在《分子细胞》期刊（Molecular Cell）。通讯作者是来自麻省理工学院的施密特科学博士后研讨员Fahim Farzadfard与电气工程与核算机科学系、生物工程系副教授卢冠达（Timothy K. Lu）。
图 | 这是Fahim Farzadfard做的艺术图。他们开发的DOMINO是一种记载生物信息并在活细胞中进行逻辑和核算的技能，该技能经过DNA写入事情的级联（相似于多米诺骨牌），为活细胞中的信息传达、核算和存储供给了强壮且可扩展的办法。（来历：Fahim Farzadfard）
运用碱基骤变完成单核苷酸分辨率，无需损坏细胞
因其普遍存在的持久性和生物功用兼容性，DNA成为人工生物信息贮存的抱负介质，特别是跟着DNA测序功率的进步以及本钱下降，其信息贮存优势日渐显着。
现在基因组修正技能让人们能更快捷改动遗传信息。DNA修正器能够对活细胞内所含DNA进行刺进、删去、倒位或碱基替换骤变等方式，并可用于区别不同DNA回忆状况。时刻短的细胞事情，例如蛋白质-蛋白质相互作用，能够作为转录输出被DNA信息贮存。
此前的活细胞DNA技能只能读取或写入，也便是说，在一两个分子事情后该细胞就中止了数据贮存，其编码容量和可扩展性受到约束，不能用来接连监控动态信号或长时刻前史信号，而且缺少快捷的读写和监控操作方式。
因而，人们需求一种高效且稳健的分子记载和DNA回忆渠道，像硬盘相同能够进行信息存储和核算，Fahim Farzadfard等人构建的活细胞DNA分子记载仪则能够编码更多信息。
这是一种非损坏性的DNA报告基因回路，能够呼应细胞内的辅导RNA（gRNA）骤变贮存状况，终究以不同水平输出。因而体系读取只需求测定回路状况，而无需损坏细胞和DNA测序读数。
图 | DOMINO存储器架构的示意图。（来历：Molecular Cell）
为了到达更高的准确度，研讨人员将一种Cas9与最近开发的碱基修正酶交融，该酶能够将核苷酸胞嘧啶转化为胸腺嘧啶而不损坏双链DNA。详细而言，研讨人员运用基因修正技能构建了一个单核苷酸分辨率的读写头，这个读写头由与胞苷脱氨酶交融的Cas9切断酶与尿嘧啶DNA糖基化酶抑制剂组成。Cas9切断酶用来读取，由gRNA指向特定的DNA靶标并将其切开，胞苷脱氨酶用来写入，而尿嘧啶DNA糖基化酶抑制剂则能够经过阻断细胞修正机制进步写入功率。
一旦12碱基对的gRNA序列定位到靶标，修正器模块能够让靶标序列5’结尾（5’结尾表明DNA仿制或转录的方向）邻近的脱氧胞苷脱氨基，之后引进胞嘧啶-胸腺嘧啶骤变，从而在DNA中发作永久记载。也便是说，只要细胞中存在特定DNA序列时，胞嘧啶转换为胸腺嘧啶才会发作，那么经过丈量这种骤变即可得到细胞遇到的信号。
读写头在诱导型启动子操控下，能够经过内部或外部输入操控该体系中的DNA写入。这儿读写头的表达可看作是操作信号，而操控gRNA表达的信号则是独立可控的输入。
研讨人员还能够经过规划DOMINO体系来完成每套输入得到一个共同的辨认标志，那么从这个辨认标志也能推测出本来的体系输入是什么。依据研讨人员的规划，终究的输出成果会激活绿色荧光蛋白表达，那么经过丈量绿色荧光的表达水平，即可得知细胞内发作了多少骤变，这就避免了测序损坏细胞。
经过这样的操作，DOMINO体系完成了逾越DNA只能读写而输出只能损坏细胞来测序读取的做法，而且完成长时刻持续记载和监测。
图 | 这是Fahim Farzadfard做的艺术图。DOMINO能够完成活细胞中DNA核算的各种逻辑。（来历：Fahim Farzadfard）
此外，DOMINO体系还能够经过分层多个DOMINO运算符来构建各种方式的逻辑。详细而言，DNA事情写入逻辑能够与次序无关，能够与次序有关，也可与时刻有关。还可与依据CRISPR的基因调控战略结合，比方CRISPR搅扰（CRISPRi）和CRISPR激活（CRISPRa），完成模块化和通用的贮存以及基因调控功用。
存储器的进化
数年前，卢冠达实验室开发了一种依据称为DNA重组酶的回忆存储体系。当特定事情发作时，它能够翻转DNA片段。但是，这种办法在规划上是有限的：它只能记载一个或两个事情，由于有必要翻转的DNA序列十分大，而且每个都需求不同的重组酶。
之后，卢冠达和Farzadfard开发了一种更具针对性的办法。他们将新DNA序列刺进基因组中的预订方位，但这种办法仅适用于细菌细胞。2016年，他们开发了一种依据CRISPR的回忆存储体系，但它依赖于细胞本身的DNA修正机制，以便在Cas9切开DNA后发作骤变。这意味着骤变成果并不总是可猜测的，因而约束了能够存储的信息量。
现在，他们的DOMINO体系运用的是CRISPR-Cas9酶的变体，它能够发作更清晰的骤变，由于它能够直接修正和存储DNA碱基中的信息，而不是切开DNA并等候细胞修正损害。研讨人员证明，这个体系能够在人体和细菌细胞中正常作业。
这个体系与其他运用多种蛋白质的准确DNA读写体系不同，DOMINO只是运用矮小的gRNA和少数蛋白质，这会削减细胞的代谢担负。
经过读写头，DOMINO将基因组DNA转换为可寻址、可读和写入的介质，能够在活细胞中加工和存储信息。只是经过改动gRNA序列即可构建各种DOMINO操纵子，这样该体系的运用规划就具有了极大的扩展空间。一起，由于该体系分辨率高，那么能够构建多个gRNA的操纵子。
为下一代存储器铺路
活细胞能够变成信息记载设备，这些记载设备将本身信号动态前史贮存为永久的DNA记载，反过来为研讨人员供给它们在天然进程开展的依据。要知道，人们不只是需求生物反响的快照。在生物体系中，许多分子事情十分时刻短，因而很难在天然环境下检测和研讨。而DNA修正能够用来创立分子记载仪，累积下来的骤变可经过DNA测序或功用分析加以检索，以揣度原始信息。
这些战略已经有了。例如，经过信号-呼应启动子，比方是否存在、持续经常、强度、时序和时刻相关的生物头绪（如代谢物和细胞因子）或许环境头绪（如光、污染物、噬菌体或温度改动）等记载信息都可被写入DNA。
DOMINO体系便是这个分子记载仪。研讨人员指出，DOMINO体系进步了活细胞中进行分子记载和核算的才能，这就进步了监测和操控细胞表型的才能。这些类型的杂乱存储器电路的运用包含盯梢在细胞分解时代代相传的改动，或许创立能够检测并或许医治患病细胞的传感器。
DOMINO中的诱导型启动子是能够替换的，那么这就带来了各种运用的或许。比方能够在该体系中记载各种生物学信号或生理学信号，如糖、重金属如铜离子以及暗室效应，也能够记载胃肠道炎症的生物标志物，如血红素、过氧化氢和一氧化氮。
其间的一个运用是检测糖。将呼应乳糖的DNA编码刺进到细菌中，当细菌遇到糖时，DOMINO会改动细菌的DNA。此外，这些事情印迹会留在DNA里，不会跟着事情发作后而衰退。
相同，DOMINO能够规划出检测癌症相关基因的途径，也能够编程翻开抗癌分子的基因，使体系能够检测和医治癌症。
卢冠达说，本研讨企图战胜曾经的约束性，它使咱们更挨近终究愿景，即具有强壮、高度可扩展和可定义的内存体系，这相似于硬盘驱动器的作业方式。
研讨人员以为，该研讨处理了当时体内记载和核算技能的许多约束性，并为用于活细胞中的信息处理和存储的下一代存储器架构铺平了路途。
在Farzadfard和卢冠达于2018年8月31日在Science宣布的总述文章中，他们论说了这个分子记载仪的未来。
在将来，发育生物学家能够运用DNA记载仪研讨分解和发育途径；癌症生物学家能够运用这些DNA记载仪来研讨肿瘤开展，并深化了解肿瘤微环境中与癌症异质性有关的细胞和环境头绪；免疫学家能够运用DNA记载仪来研讨免疫细胞老练、回忆构成和免疫应对进程中的信号转导；微生物学家能够运用其来研讨细菌群落和生物膜内的信号动力学和分子相互作用。
专访榜首作者兼通讯作者Fahim Farzadfard博士：咱们刚开始进行细胞编程的入门
DeepTech：在这项研讨中，DOMINO体系的最大立异是单碱基骤变，即让胞嘧啶变成胸腺嘧啶，这也是细胞无需被损坏的要害，是这样吗？
Fahim Farzadfard：是这样。这项研讨作业的其他打破是，咱们能够在活细胞中即时进行读取和写入，这就能够让咱们完成多个读取事情和写入事情的分层，以便让咱们记载或操控DNA分子事情的发作次序和发作时刻。别的，DOMINO完成的分子记载规划、模块性和鲁棒性（稳健）也明显胜过此前的办法。
DeepTech：咱们很想知道，你是怎么找到这么奇妙的办法的？
Fahim Farzadfard：我一向致力于开发DNA分子的信息处理和记载技能。我开发的榜首个体系是SCRIBE体系，该体系于2014年在Science上宣布，并证明晰运用DNA书写记载DNA中的生物信息的或许性。之后，我一向企图完成运用DNA作为生物细胞存储器的终究愿景，希望它的运用相似运用核算机硬盘，而DOMINO是这项作业的持续，也是挨近这一愿景的最新尽力。
DeepTech：当时的DOMINO体系还有哪些约束吗？
Fahim Farzadfard：咱们还需求在两个方面进行改善，即时刻分辨率和并行处理方面，这会对神经记载这样的运用十分有协助。
DeepTech：核算机是物理信号的核算进程，DNA核算则是化学反响进程，咱们应该怎么了解依据这两种不同反响的核算体系的差异？咱们应该对DNA核算有什么希望？
Fahim Farzadfard：与硬盘驱动的“0”和“1”存储器不同，这儿咱们运用遗传编码A、C、G、T的读写头来操作DNA存储器。
一旦有了存储体系，咱们就能够依据各种方式的逻辑用于数字核算或其他方式的核算（如模仿核算）来处理存储的信息，就像咱们运用硬盘驱动器和处理器来履行杂乱的硅核算相同。
我以为依据硅的核算机和依据DNA的活细胞核算机之间必定存在差异。活细胞中的回路反响缺少联网区域化的相互作用，由于一切的反响发作在相同的间隔区中。
另一个大的区别是，由于至少在当时DNA核算依赖于生物化学进程，例如基因表达，所以它比电子核算机的运算要慢得多。这个约束与时刻尺度有关，由于许多生物进程如细胞信号转导、分解和发育的进程是有约束的。
需求着重的是，在依据DNA的核算中，咱们无法挨近电子核算机的处理才能。但是，依据DNA的核算机供给了强壮的与生物体系交互的核算东西，这是电子核算机无法完成的。
在这儿，即便些微的核算都或许对疾病诊断和医学运用有十分强壮的助推，尤其是在传统技能无法完成的范畴。
DeepTech：你以为DOMINO体系在DNA核算开展中处于什么方位？总的来看，DNA核算现在开展到了哪个阶段？
Fahim Farzadfard：跟着CRISPR-Cas9和碱基修正技能的开展，DNA分子记载和核算的技能也在迅速开展。现在有了DOMINO体系的协助，咱们证明晰选用准确的DNA修正能够完成各种方式的核算操作，由于不同的骤变状况是能够被DNA修正器准确操控的。
我以为从前的技能瓶颈在于，DNA修正太随机，一些骤变是不行猜测的，而且缺少固有的信息读取技能。那么这实际上就不能用于核算，由于核算需求可猜测的成果，举个比如便是，假如事情A发作则事情B就会发作，假如事情B发作则事情C就会发作。
因而人们需求一个准确的DNA修正器以及固有的信息读取途径。关于前者，在某个骤变发作时，会导致级联逻辑运算发作，而后者则是关于动态读取活细胞信息所必需的。DOMINO体系正是满意了上述要求。
我以为DOMINO是在活细胞中构建通用读写操作的重要一步，可将其视为一种抱负的通用图灵机。
假如咱们将细胞视为生物核算机，那么对这些细胞进行稳健编程的才能将为咱们供给无与伦比的办法来研讨和操控活细胞中分子事情的改动。
我想咱们刚开始进行细胞编程的入门。
Fahim Farzadfard简介
Fahim Farzadfard，生于伊朗，结业于德黑兰大学生物技能专业，并在麻省理工学院取得博士学位。博士期间，他为活细胞的分子记载和核算开发了多个根底渠道， 他引进了依据DNA分子记载和模仿贮存的概念，并发明晰一个模块化和可扩展的渠道SCRIBE（Synthetic Cellular Recorders Integrating Biological Events），后者可用于将信号动态记载到细胞本身的基因组DNA中。
作为施密特科学博士后研讨员，Fahim Farzadfard一起在哈佛大学George Church和麻省理工学院Ed Boynton两个实验室作业，他的方针是进一步推动分子记载技能并将其运用于大脑研讨。
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参阅
https:///article/2214203-gene-editing-turns-cells-into-minicomputers-that-can-record-data/
https:///molecular-cell/fulltext/S1097-2765(19)30541-6#%20
https://science.sciencemag.org/node/714764.full
http://news.mit.edu/2019/domino-cellular-memory-dna-0822
重视 DeepTech
发现改动国际的新式科技
（微信号:deeptechchina)
坐标：北京·国贸
请随简历附上3篇往期著作（实习生在外）
