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麻省理工学院的研究人员设计了一种通过重写DNA将记忆编程到细菌细胞中的方法

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通过重写它们的 DNA 将记忆编程到细菌细胞中

麻省理工学院的研究人员设计了一种方法,通过更有效地重写细菌细胞的 DNA,将记忆编程到细菌细胞中。来源:麻省理工学院新闻,iStockphoto

编辑细菌基因组的技术可以记录细胞之间的相互作用,可能提供一种编辑人类微生物组基因的方法。

麻省理工学院的生物工程师设计了一种新方法,可以通过重写DNA来有效地编辑细菌基因组并将记忆编程到细菌细胞中。使用这种方法,各种形式的空间和时间信息可以永久存储几代,并通过对细胞的 DNA 进行测序来检索。

研究人员称之为 HiSCRIBE 的新 DNA 写入技术比以前开发的用于编辑细菌 DNA 的系统要高效得多,该系统的成功率仅为每代 10,000 个细胞中的 1 个。在一项新研究中,研究人员证明这种方法可用于存储细胞相互作用或空间位置的记忆。

研究人员说,这种技术还可以选择性地编辑、激活或沉默生活在自然群落中的某些细菌种类中的基因,例如人类微生物组。

“有了这个新的 DNA 写入系统,我们可以在复杂的细菌生态系统中精确有效地编辑细菌基因组,而无需任何形式的选择,”前麻省理工学院博士后、该论文的主要作者 Fahim Farzadfard 说。“这使我们能够在实验室环境之外进行基因组编辑和 DNA 写入,无论是设计细菌、优化原位感兴趣的特征,还是研究细菌种群中的进化动力学和相互作用。”

麻省理工学院电气工程和计算机科学以及生物工程副教授 Timothy Lu 是该研究的高级作者,该研究于 2021 年 8 月 5 日发表在Cell Systems上。哈佛大学前研究生 Nava Gharaei 和前麻省理工学院研究生 Robert Citorik 也是该研究的作者。

基因组书写和记录记忆

几年来,卢的实验室一直在研究如何使用 DNA 来存储信息,例如细胞事件的记忆。2014 年,他和 Farzadfard 开发了一种将细菌用作“基因组录音机”的方法,通过改造大肠杆菌来存储化学暴露等事件的长期记忆。

为了实现这一目标,研究人员对细胞进行了改造,以产生一种称为retron的逆转录酶,它在细胞中表达时会产生单链DNA(ssDNA),以及一种重组酶,它可以插入(“写入”)特定序列单链 DNA 进入基因组中的目标位点。这种 DNA 只有在被预先确定的分子或其他类型的输入(如光)激活时才会产生。产生 DNA 后,重组酶将 DNA 插入预编程位点,该位点可以位于基因组中的任何位置。

这种被研究人员称为 SCRIBE 的技术的写作效率相对较低。在每一代中,在 10,000 个大肠杆菌细胞中,只有一个会获得研究人员试图整合到细胞中的新 DNA。这部分是因为大肠杆菌具有阻止单链 DNA 积累和整合到其基因组中的细胞机制。

在这项新研究中,研究人员试图通过消除大肠杆菌对单链 DNA 的一些防御机制来提高该过程的效率。首先,他们禁用了称为外切核酸酶的酶,这种酶可以分解单链 DNA。他们还敲除了与错配修复系统相关的基因,该系统通常会阻止单链 DNA 整合到基因组中。

金属材料夹杂物或第二相会对孪生变形有什么影响?

研究一种金属材料,在应变比较低的情况下,主要以孪生变形为主。在我的基体中有很多第二相或者叫夹杂物的东西。我想知道在孪生过程中,这种第二相或夹杂物是否会阻碍或者影响孪晶的产生?或者相互影响。

通过这些修改,研究人员能够实现他们试图引入的基因变化的近乎普遍的整合,从而创造了一种无与伦比且有效的方式来编辑细菌基因组,而无需进行选择。

“由于这种改进,我们能够完成一些使用上一代 SCRIBE 或其他 DNA 写入技术无法完成的应用程序,”Farzadfard 说。

细胞相互作用

在他们 2014 年的研究中,研究人员表明他们可以使用 SCRIBE 记录暴露于特定分子的持续时间和强度。借助他们新的 HiSCRIBE 系统,他们可以追踪这些类型的暴露以及其他类型的事件,例如细胞之间的相互作用。

例如,研究人员表明,他们可以追踪一种称为细菌结合的过程,在此过程中细菌交换 DNA 片段。通过将 DNA“条形码”整合到每个细胞的基因组中,然后可以与其他细胞交换,研究人员可以通过对它们的 DNA 进行测序以查看它们携带的条形码来确定哪些细胞相互影响。

这种映射可以帮助研究人员研究细菌如何在生物膜等聚集体中相互交流。Farzadfard 说,如果可以在哺乳动物细胞中部署类似的方法,那么它有朝一日可以用于绘制其他类型细胞(如神经元)之间的相互作用图。可以对可以穿过神经突触的病毒进行编程,使其携带 DNA 条形码,研究人员可以使用这些条形码来追踪神经元之间的连接,从而提供一种帮助绘制大脑连接组图的新方法。

Farzadfard 说:“我们正在使用 DNA 作为记录细菌细胞相互作用的空间信息的机制,未来可能还会记录已标记的神经元。”

AE30/31倒置生物显微镜
AE30/31倒置生物显微镜

研究人员还表明,他们可以使用这种技术专门编辑许多物种群落中一种细菌的基因组。在这种情况下,他们将一种酶的基因引入到与其他几种细菌一起培养的大肠杆菌细胞中。

研究人员说,这种物种选择性编辑可以提供一种新的方法,通过沉默它们的耐药基因,使耐药细菌更容易受到现有药物的影响。然而,他们说,这种治疗方法可能需要几年的研究才能开发出来。

研究人员还表明,他们可以使用这种技术来设计一个由细菌和噬菌体组成的合成生态系统,这些生态系统可以不断重写其基因组的某些片段,并以高于自然进化的速度自主进化。在这种情况下,他们能够优化细胞消耗乳糖的能力。

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“这种方法可以用于细胞特征的进化工程,或者通过允许你一遍又一遍地重放进化的磁带,用于实验进化研究,”Farzadfard 说。

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