蜂窝记录器通过捕获细胞的故事来帮助治疗癌症

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　　癌症坚不可摧的秘密部分依赖于其神秘的分子历史 - 一个好细胞变成坏细胞的故事。随着细胞转向黑暗的一面，DNA的旋风逐渐累积。就像翻转多个相互连接的照明开关一样，该细胞逐渐改变其内部分子操作，直到其曾经呈现的性质变成恶毒。为什么，何时以及如何发生这种险恶的转变仍然未知，而癌症通常在太晚时才会抬起丑陋的脸。但是，如果有一种方法可以从一开始就捕捉这种转变的故事，那么我们可以准确地看到该单元的发生了什么，何时以及为什么？这是一种被称为“蜂窝记录器”的新兴技术出现的地方 - 他们可以改变我们分析和监测疾病的方式，帮助我们创建新的量身定制的治疗方法等等。

　　本月，麻省理工学院的一个团队利用了DNA的计算能力，将其转换为微型计算机。该技术称为Domino，类似于其硅对应物，可以将细胞读取并将生命事件读成其DNA中的单个字母。与前几代的蜂窝记录器破坏了大量基因组信息，多米诺骨牌在“位”级别上改变了数据。这可以使细胞功能保持功能，同时大大提高了准确性和存储能力。更重要的是，科学家可以使用逻辑门分层操作，从本质上将细胞转变为计算功能。

　　Domino的核心是CRISPR基础编辑器，这是基因编辑工具的相对较新版本，将一个遗传字母恰好换成另一个遗传字母。可以将每次交换视为敲击计算机密钥 - 多重交换互换，使研究人员可以在正确的时间以正确的顺序击中多个键，因此将单元的历史记录直接写入其DNA。然后对基因组进行测序然后检索录音，可以将录音拼凑成生物学时间表，就像将复杂犯罪中的一系列事件编织在一起一样。

　　领导该研究的Timothy Lu博士说：“我们需要更好的策略来阐明复杂的生物学的工作原理，尤其是在诸如癌症之类的疾病中，可能会发生多个生物学事件将正常细胞转变为患病细胞的疾病。”“这种生物计算是一种令人兴奋的获取和处理信息的新方法。”

　　将细胞变成分子记录器并不是一个新想法。

　　通常，这些细胞记录器的工作方式。大多数系统都依靠触发机制来开始录制过程，就像使用运动探测器摄像头用于野生动植物视频来节省存储空间。当细胞检测到某个生命事件时 - 毒素，特定的遗传掉期或其代谢或内部分子的突然变化 - 它激活了“记录器”，这是一种分子工具，它以可预测的方式永久性地改变了细胞的DNA。

　　通过使用DNA测序读取这些突变特征，研究人员可以逗弄特定事件是否发生。这使得分子记录对生物技术应用和合成生物学非常有价值。例如，一个细胞可以充当水或土壤中的环境监测装置，以检测和记录污染的迹象，例如重金属或农药。

　　强大的，可伸缩的细胞记录器也可能是生物医学的革命性的。配备“记录器”的人类癌症或其他突变的细胞可以提供整个监视镜头的历史，而细胞生病，包括其分子如何改变其信号传导模式。

　　神经科学也将获得。例如，我们知道一种称为MTTP的毒素会导致健康的神经元以类似于帕金森患者大脑的神经元的方式退化。为他们配备细胞记录器，我们最终可能能够揭开导致神经元死亡的分子舞蹈，也许可以预防它。

　　但是蜂窝记录器有一个巨大的问题：因为它们永久改变了DNA，所以在细胞的基因组变得不稳定并杀死细胞之前，它们很快就用完了带宽。这使得在长时间跟踪历史几乎不可能。然后是可读性的障碍。大多数蜂窝记录器不支持监视DNA记忆状态，因为您必须首先杀死和销毁细胞。这类似于每次阅读数据时都会粉碎硬盘驱动器 - 这不是扩展内容的好方法。

　　Domino通过解决这些问题来解决这一问题。它的秘密？强大的CRISPR基本编辑器。尽管有很多类型，但此处的版本将DNA字母C交换为T。

　　将新录音机视为多米诺骨牌的一行。每件作品都有两个组成部分：一个，指南RNA，嗅出并将CRISPR机制拉向目标的猎犬。二，基本编辑器，它是CAS9的一个版本，它不会切碎靶向DNA序列。与Classic CRISPR不同，基础编辑不会削减DNA，并且在基因组上更加“柔和”。这些较小，更精确的突变也可以释放较大的区域以进​​行信息存储 - 就像从软盘到Terabyte大小的外部硬盘驱动器一样。较大的存储容量，更长的时间轴。

　　与以前的系统类似，多米诺在细胞内部处于休眠状态，直到特定事件将其翻转为止。只有这样，它才会引导细胞制造其两个成分，以C-T-T交换的形式将分子事件刻在DNA中。

　　这是巧妙的部分：团队随后设计了一个相互联系的系统，以便仅当以前已经突变时，才会发生以后的突变。就像下落多米诺骨牌一样，一个录制事件允许下一个，然后允许另一个录制事件，依此类推。这为及时的多路复用事件打开了多米诺骨牌。

　　Lu解释说：“您可以以一种必须在编辑之前，在编辑两个之前进行编辑，以使您必须对RNA进行编辑指南RNA。”

　　更重要的是，可以将多个指南RNA一起用于监测生物学上协同作用的不同事件：例如，一个RNA可以“标记”与一种与癌症相关的化学物质的暴露，而另一个可以监视不同的化学物质或辐射。这立即使Domino成为构建逻辑和内存操作的强大工具，例如“ and”，“ or”，以及更复杂的时间表事件，例如“如果A.你明白了。

　　研究作者Fahim Farzadfard解释说：“您可以设计系统，以便输入的每种组合都为您提供独特的突变签名。”“从该签名中，您可以分辨出已经存在哪种输入的组合。”

　　如果以前的蜂窝记录器遭受了“扑克脸”的困扰，多米诺骨牌将完全开放。在这里，团队设计了电路，以便最终的读数以发光的绿色蛋白质的形式。

　　在显微镜下，科学家可以立即眼球绿色的光芒有多强，并迅速估计有多少突变积累而不杀死细胞以对其DNA进行序列。更复杂的实验室工具可以定量测量光的强度以进行准确的读取。这就是为什么我们将其称为“非破坏性DNA状态记者”的原因。例如，跟踪感染HIV感染的免疫细胞的记录仪只能在某些感染阶段产生绿色光芒，科学家可以通过测量血液样本的光强度来监测。

　　到目前为止，唯一的实验是细菌大肠杆菌和培养的人类细胞中的概念证明。但是含义足够。例如，多米诺骨牌电路有一天可以检测到癌症，然后打开在特定发育阶段产生特定癌症的药物的基因。

　　卢说：“这些应用程序可能远离现实世界的使用，但这种技术肯定可以通过这种类型的技术来实现。”