不同的“事件”如病毒感染，以及暴露于环境毒素或其他形式的压力，会改变基因的活性，从而在细胞内留下分子痕迹。这些变化主要发生在信使RNA(mRNA)水平。这些是在基因被激活和读取时编码遗传信息的分子，这一过程称为转录。研究人员可以通过测量细胞中存在的mRNA分子来准确地研究基因的活性。然而，基因转录的痕迹迅速消失：mRNA高度不稳定，细胞经常在短时间后降解。
ETH研究员Randall Platt和他在生物系统科学与工程系的同事现在已经开发出一种分子记录系统，它将转录事件写入DNA，在那里它们可以永久存储，然后通过测序进行访问。
为了创建他们的“录音设备”，Platt的博士生Florian Schmidt和Mariia Cherepkova使用了CRISPR-Cas系统。CRIPSR-Cas是细菌和古细菌的适应性免疫系统。该系统通过记录感染细胞的病原体的遗传信息起到免疫记忆装置的作用。这种遗传信息记录在称为CRISPR阵列的特定DNA片段中 - 称为获取的过程。
遗传信息就像一串珍珠
CRISPR阵列能够存储源自病原体的短序列DNA，称为“间隔物”。间隔物通过称为直接重复的短相同DNA序列彼此分开，就像串上的珍珠一样。
研究人员使用肠道细菌大肠杆菌，从不同的细菌物种中引入CRISPR-Cas系统的基因。其中一个Cas基因与逆转录酶融合，逆转录酶是一种使用RNA分子产生编码相同信息的DNA的酶 - 换句话说，它将RNA转录回DNA。
提供该CRISPR-Cas的外源基因的大肠杆菌细胞能够产生结合短mRNA分子的蛋白质复合物。逆转录酶将这些RNA间隔区翻译成DNA，含有与原始RNA相同的信息，随后将它们存储在CRISPR阵列中。该过程可以多次发生，使得新的间隔物以相反的时间顺序添加到CRISPR阵列，因此最近获得的DNA片段总是第一个。
原则上，这使得可以在CRISPR阵列内记录任何数量的间隔物。由于DNA非常稳定，因此记录在其中的信息会长时间存储，并且也会从一代细菌传递到下一代细菌。
“我们的系统是一个生物数据记录器。它记录了细菌对外部影响的遗传反应，使我们能够在多次细菌生成后获取这些信息”，该研究的第一作者，最近发表在该期刊上的Florian Schmidt说。自然。
ETH Randall Platt教授说：“研究人员长期致力于创造合成细胞记忆的形式，但我们是第一个开发能够记录细胞中每个基因表达信息的人。” 研究人员花了两年多时间研究这个系统。
访问整个日志
到目前为止，研究人员仅限于在一次快照中测量mRNA。拍摄这些快照通常意味着破坏细胞，提取其mRNA，然后量化它们。相比之下，新的CRISPR-Cas RNA记录系统记录了细胞的历史，使研究人员能够有效地访问整个细胞日志，而不仅仅是一个时间点。
作为他们研究的一部分，ETH研究人员记录了配备有数据记录器的大肠杆菌对除草剂百草枯的反应。这种物质引起细胞内mRNA转录的变化，科学家们甚至可以在除草剂暴露后几天从CRISPR阵列中读出这种反应。没有数据记录器，细菌与除草剂接触的任何分子痕迹早就会被破坏，信息就会丢失。
像这样的生物数据记录器除了对研究目的感兴趣之外，还可以设想用作一种传感器，用于测量环境毒素，例如除草剂，或用于诊断。本研究有趣地证明了这种方法的可行性，但实际应用还有很长的路要走。Randall Platt在巴塞尔的研究团队已经致力于将该系统转移到其他细胞类型，并为其有效用作诊断工具铺平了道路。