童年的家庭视频可能是温馨、搞笑或令人尴尬的。但这些录像带包含了一个宝贵的资源：孩子们学习环游世界的旅程片段。当然，照片也可以捕捉到第一次生日或第一次从自行车上摔下来——但它们不是电影，而是及时的单一快照。
长期以来，科学家们一直在寻求将 DNA“摄像机”嵌入细胞中以捕捉它们的历史。像孩子一样，细胞在与环境相互作用时会生长、多样化和成熟。这些变化嵌入细胞的基因活动中，通过随着时间的推移对其进行重建，科学家们可以推断出细胞的当前状态——例如，它是否会癌变？
不列颠哥伦比亚大学的 Nozomu Yachie 博士及其同事说，这项技术“将加深关于发育和癌症生物学的知识，这些知识可以转化为治疗策略。”
问题？迄今为止，记录过程仅由单个快照组成，并且已经破坏了细胞，使其无法追踪其生长。
现在，由加州大学旧金山分校格莱斯顿研究所的 Seth Shipman 博士领导的一个团队设计了一种生物记录仪——被称为 Retro-Cascorder——它就像一台老式摄像机一样，可以在 DNA “磁带”上记录细胞的基因表达历史，并在一次。多亏了 CRISPR，这些“磁带”然后被整合到细胞的基因组中，可以在以后读取。
结果数据并不完全是美国最有趣的家庭视频。相反，它更像是一个记录多个生物信号并按时间顺序整齐存储的分类帐。
“这种收集分子数据的新方法为我们提供了一个前所未有的细胞窗口，”希普曼说。除了窃听细胞的发育历史——例如，它如何从普通干细胞分化——添加 Retro-Cascorder 可以将正常细胞转变为监测污染、病毒或其他污染物的活生物传感器，同时测试 DNA 作为可靠的数据存储设备。
DNA磁带的兴起
为什么要跟踪细胞的历史？
想象一个小时候的细胞。从受精卵开始，它会生长并改变其外观——例如，变成皮肤细胞或神经元——而对于生殖细胞，它会将遗传信息传递给它的孩子。一个细胞的生命历程不仅仅取决于它的基因——相反，它的基因指令如何执行取决于与它的细胞邻居和外部世界的相互作用：饮食、锻炼、压力以及它的人类宿主所经历的任何事情。
这些先天和后天的提示会触发细胞激活某种基因模式——这一过程被称为基因表达。我们所有的细胞都含有相同的基因组。使它们不同的是打开或关闭哪些。基因表达非常强大：它可以改变细胞的身份、功能，并最终改变支配生命的生物过程。
了解他们的内部运作情况会很棒。
一种方法是快照方法。使用“组学”技术——即同时分析数百万个细胞的基因表达、新陈代谢或其他状态——我们可以获得一组细胞在特定时间的高分辨率快照。虽然功能强大，但该过程会破坏样品。原因是因为读取存储在细胞内的基因表达信息（一种称为 RNAseq 的方法）需要分解细胞的脂肪、泡沫包膜以获取和提取分子。想象一下将詹姆斯韦伯望远镜指向太空中的任何一点，知道望远镜会抹去它看到的任何东西——是的，不是很好。
DNA 磁带采用了不同的方法。就像视频编辑器一样，他们用由 DNA 字母组成的条形码“标记”细胞的事件——有点像时间戳。希普曼对使用 DNA 作为存储设备并不陌生。早在 2017 年，他们与哈佛大学的合成生物学家 George Church 博士及其团队合作，使用 CRISPR 将一部数字电影编码到活细菌的基因组中。
DNA日记
这项新研究有一个相对简单的目标：就像一个运动触发的相机，在特定基因开启的任何时候开始记录。
为了设计 Retro-Cascorder，该团队转向了一种神秘的基因元素，retrons。这些是细菌 DNA 的一小部分，几十年来一直困扰着科学家，后来才意识到它们是细菌免疫系统的一部分。早在 2021 年，该研究的合著者 Church 将逆转录酶从一种奇怪的细菌怪癖转变为一种基因编辑工具，该工具可以筛选数百万个 DNA 变异，并同时跟踪它们的影响。至关重要的是，他们意识到可以将逆转录酶用作标记来及时标记特定的基因变化。
在这里，该团队首先通过工程改造来生产特定的 DNA 标签——比如打印一系列条形码来标记包裹。这些标签与 DNA 启动子相连，启动子就像红绿灯一样，让细胞可以打开基因。
一旦基因开启，retron 会自动生成一个独特的条形码来证明其活性。这是一个多步骤的过程：最初编码在 DNA 中的标签首先被细胞转录成 RNA，然后被反转录酶重新写入 DNA“收据”。
想想餐厅收银机。这相当于在特定时间用一张收据打印一份订单。
在验证该技术按预期工作后，该团队随后转向使用基于retron的标签制作细胞“电影”。这不是传统意义上的视频：团队仍然必须在录制会话结束时（大约 24 小时）分析条形码以进行回放，这会破坏细胞。
在一张快照中及时跟踪基因表达变化相对简单。全天跟踪相同的变化要困难得多。为了为记录器建立某种“记忆”，该团队转向了 CRISPR-Cas。在这里，CRISPR 阵列充当日记，而 Retrons 则充当日常条目。由retrons 生成的DNA 收据被整合到CRISPR 阵列中。像盒式磁带一样，它们包含数据，后跟间隔，如黑屏，以帮助分隔事件。随着新信息的添加，以前的间隔会远离最近的条目，从而有可能破译事件的时间线。
Yachie 说，能够使用 CRISPR 写入遗传数据的细胞“可以逐步将细胞事件……记录到 DNA 磁带中”。
在概念验证中，该团队通过基因工程将 Retro-Cascorder 引入实验室最喜欢的细菌大肠杆菌（E. Coli）中。加入新结构对虫子来说是一件轻而易举的事，对科学家来说也是一个好兆头，因为它表明对细胞的压力或毒性很小。
然后，他们使用化学物质打开一个或两个 DNA 启动子，例如在随身听上单击“记录”。在 48 小时内，系统将预期的基因表达变化记录到 CRISPR 阵列中。在进一步深入研究了 CRISPR 阵列的序列后——即事后将它们读回——他们发现细胞的历史进展如预期。
你的全部历史
新的 DNA 磁带就像通过时间记录电影的小片段。但它的编辑很奇怪。虽然 Retro-Cascorder 可以判断基因激活的顺序，但它无法确定两个相邻事件之间的时间间隔。就像在家庭视频中一样，舞蹈排练和晚餐的片段可能在同一天；或相隔数年。
但与之前的尝试相比，磁带是技术上的飞跃，信号更好，录音时长更长，播放效果更好。
“这还不是一个完美的系统，但我们认为它仍然会比现有方法更好，因为现有方法一次只能测量一个事件，”Shipman 说。
完美细胞纪录片的竞赛正在进行中，大多数都以 CRISPR 为中心。对 Yachie 来说，一种方法是用碱基编辑器或CRISPR Prime替换 good-ole’-CRISPR，这两种方法对细胞基因组的损伤较小。读取基因记录表达的生物学“VCR”也需要升级，可能由更好的计算能力提供支持。
如果更加完善，DNA 记录器可以帮助我们追踪微型大脑和其他类器官的发育轨迹，研究癌细胞的进化过程，监测细胞中的环境污染物——所有这些都不会危及生命。
图片来源： Immo Wegmann / Unsplash