不同的“事件”，如病毒感染和暴露于环境毒素或其他形式的压力，会改变基因的活性，从而在细胞中留下分子痕迹。这些变化主要发生在信使核糖核酸(mRNA)水平。当基因被激活和阅读时，这些分子编码遗传信息。这个过程叫做转录。研究人员可以通过测量细胞中的mRNA分子来准确研究基因活性。但基因转录的痕迹很快消失：mRNA高度不稳定，细胞往往在短时间内降解。
圆形脱氧核糖核酸作为记录系统
研究人员ETH 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了一种分子记录系统，可以将转录事件写入DNA，在DNA中可以永久存储，然后通过测序进行访问。
为了创造他们的“录音设备”，普拉特的博士生弗罗里安施密特和玛丽娅切雷普科娃采用了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。这些遗传信息被记录在一个叫做CRISPR阵列的特定DNA片段中——这个过程被称为获取。
遗传信息就像一串珍珠。
CRISPR阵列可以存储来自病原体的称为“间隔子”的短DNA序列。间隔子由短的相同的DNA序列分开，称为直接重复，就像琴弦上的珍珠一样。
研究人员利用肠道细菌大肠杆菌从不同的细菌物种中导入CRISPR-Cas系统的基因。其中一个Cas基因与逆转录酶融合，逆转录酶是一种利用核糖核酸分子产生编码相同信息的脱氧核糖核酸的酶，换句话说，它将核糖核酸转录回脱氧核糖核酸。
提供CRISPR-Cas外源基因的大肠杆菌细胞可以产生结合短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，包含与原始RNA相同的信息，然后存储在CRISPR阵列中。这个过程可以发生很多次，因此新的间隔物以相反的时间顺序添加到CRISPR阵列中，因此最近获得的DNA片段总是第一个。
原则上，这使得在CRISPR阵列中记录任意数量的间隔物成为可能。因为DNA非常稳定，记录在里面的信息可以长期保存，也可以从一代细菌传到下一代细菌。
“我们的系统是一个生物数据记录器。它记录了细菌对外界影响的遗传反应，因此即使在许多细菌产生后，我们也可以获得这一信息，”该研究的第一作者弗罗里安施密特说，他最近发表在该杂志上。自然。
ETH Randall Platt教授说：“长期以来，研究人员一直在努力创造合成细胞记忆的形式，但我们是第一个开发出可以记录细胞中每个基因表达的信息的人。”研究人员花了两年多的时间研究这个系统。
访问整个日志
到目前为止，研究人员只在一张快照中测量了mRNA。拍摄这些快照通常意味着破坏细胞，提取它们的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，这使得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。这种物质会引起细胞内mRNA转录的变化，科学家甚至可以在除草剂暴露几天后从CRISPR阵列中读取这种反应。如果没有数据记录器，细菌接触除草剂的任何分子痕迹都会被破坏，信息也会丢失。
除了研究目的，这种生物数据记录器还可以用作测量环境毒素(如除草剂)或诊断的传感器。本研究有趣地证明了这种方法的可行性，但在实际应用中还有很长的路要走。兰德尔普拉特在巴塞尔的研究团队一直试图将该系统转移到其他细胞类型，为其作为诊断工具的有效使用铺平道路。
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