CRISPR 魔剪化身“黑匣子”，哥大研究者构建最小摄录机，未来可用于微环境监测

姓名：傅高鸣 学号：16140288007

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【嵌牛导读】：想每时每刻知道身体里发生的故事，想仔仔细细了解环境中微生物的变化，却又无计可施？别着急，科学家们“黑”了大肠杆菌的免疫系统，帮我们做成了生物“黑盒子”——即 CRISPR“摄录机”。

【嵌牛鼻子】：最小摄录机

【嵌牛提问】：最小摄录机是以什么为载体

【嵌牛正文】：

图丨哥伦比亚大学学者借用 CRISPR 系统构建最小摄录机

近日，来自美国哥伦比亚大学（Columbia University）的研究团队借助 CRISPR-Cas 这种细菌中与生俱来的免疫系统，设计了一种可以记录微环境中环境、分子信号变化情况的“摄录机”，该系统至少可以同时记录三种信号，并可以多日连续工作，该研究的细节发表在 11 月 23 日的《科学》杂志上。

“患者一旦吞下携带有该系统的细菌，这个‘摄录机’就有可能会跟随消化系统记录人体内的情况，这个系统为人们提供了一个从未有过的视角，一个从未到达的世界。”来自哥伦比亚大学医学中心合成生物学和病理及细胞生物学的助理教授 Harris Wang 介绍到，他也是本文的通讯作者。

当然这个系统的功能不仅限于此，通过对环境中不同化学物质变化的响应，这项技术可以在不破坏周围环境的情况下记录环境中不可见的变化，未来该系统很可能被应用于环境学和微生物学的基础研究中，对生态系统中的污染进行检测及分析。

那么“黑盒子”的核心究竟是什么？和我们知道的“魔剪”又有何关系呢？

如今提起 CRISPR-Cas 系统，首先想到的是他“基因魔剪”遗传信息编辑工具的身份，但是追溯起来，它却是细菌和古生菌中广泛存在的一种自身防御系统。CRISPR（Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats）簇是一个特殊 DNA 重复序列家族，在其上游存在一个多态性的家族基因，该基因编码的蛋白均可与 CRISPR 序列区域共同发生作用。因此，该基因被命名为 CRISPR 关联基因（CRISPR associated，Cas）。Cas 基因与 CRISPR 序列共同进化，形成了在细菌中高度保守的 CRISPR-Cas 系统。

当外源遗传物质入侵时，细菌中的 CRISPR-Cas 系统首先会将入侵的外源 DNA 信息整合到自身 CRISPR 序列中，当病毒再次入侵时，CRISPR-Cas 系统可对其进行识别并摧毁。

而正是基于这一功能，一代又一代的细菌基因组中记录了大量外源入侵病毒的 DNA 信息，这简直是天赐的礼物，而哥伦比亚大学的科学家们抓住了这个机会。

“CRISPR-Cas 系统就是一个天然的生物记忆设备。”Harris Wang 说到。那既然人类已经可以通过电子设备记录声音或影像信息，是否可以使用这种天赐的记忆设备来记录活体细胞内的变化呢？正是基于这一设想，本文的第一作者 Ravi Sheth 开始了他的实验，并最终创建了 TRACE（temporal recording in arrays by CRISPR expansion）系统。

首先团队合成两种质粒，其中一种可以在特定的环境及信号下做出反应，并随之扩增，相当于指示物检测器；另一种则用来表达 CRISPR-Cas 系统的元件，定期将一段间隔序列拷贝到 CRISPR 位点上，为这个摄录系统提供一个时间轴。

当没有外界信号刺激时，CRISPR-Cas 系统中会不停的加入空白序列以记录时间，当特殊的代谢信号如铜、岩藻糖甚至是一些疾病指示物出现时，自我复制的质粒会被激活，进而使其相关序列插入 CRISPR 位点上，成为分子磁带内容的一部分。

质粒（plasmid）是细菌染色体外的遗传物质，存在于细胞质中，具有自主复制的能力，大部分的质粒都是闭合环状。

图丨该系统可连续多日记录多种信号

随后科研人员可以通过对细菌 CRISPR 位点的读取及计算研究，还原“时间轴”上发生的一切事件。“这种方法可以稳定的记录多天信息，并可以精准的重建时间和亲缘信息”研究人员介绍到，目前该系统至少可以同时记录三种信号。

“从编辑的角度来说，CRISPR-Cas 系统真的是相当出色，他经过进化的重重磨练而臻于完美，同时在信息储存方面也异常的出色。”对于 CRISPR-Cas 系统，Harris Wang 赞不绝口，同样看好其存储功能的还有遗传学泰斗、哈佛大学的 George Church 教授。

图丨哈佛大学研究者使用 CRISPR 基因编辑系统将“骑手与奔跑的马”GIF 载入活体细菌 DNA 中（左：原始图片 右：细菌存储重建图片）

今年 7 月，George Church 团队在《自然》杂志上发文介绍了他们的研究内容，他们将 19 世纪 70 年代著名的影像“骑手与奔跑的马”拆分成 5 帧，将每个图像的单个像素转换成 DNA 的基本结构—核苷酸，通过 CRISPR 基因编辑系统将一段编码短动图的核苷酸序列嵌入存活的大肠杆菌体内。随后通过对细菌 DNA 的测序，以及对像素核苷酸代码进行读取，重建图像，实现存储功能。

不仅如此，由于 CRISPR-Cas 精准的 DNA 靶向功能，近年来它被广泛应用多种生物的遗传信息编辑中。就在本月，美国展开了首例人体活体基因编辑临床试验，被称为可能带来整个生命科学领域的技术革命，CRISPR 当之无愧。

未来，Wang 和他的团队将把注意力放在寻找不同状态下的指示物上，不仅仅是在肠胃系统或是疾病状态，也可能是微生物环境甚至是生态环境中。

无论如何，感谢 CRISPR-Cas 系统，让我们有机会安装生命的“黑匣子”，给生命多一层保障。