童年的家庭视频可以是温馨的、搞笑的，也可以是彻头彻尾的尴尬的。 但这些磁带包含着宝贵的资源：孩子们学习探索世界的旅程的片段。 当然，照片也可以记录一周岁生日或第一次从自行车上摔下来的情景，但它们不是电影，而是单个时间的快照。
长期以来，科学家们一直寻求将 DNA“摄像机”嵌入细胞中以捕捉它们的历史。 就像孩子一样，细胞在与环境相互作用时不断成长、多样化和成熟。 这些变化嵌入在细胞的基因活动中，通过随着时间的推移重建它们，科学家可以推断细胞当前的状态，例如，它是否会癌变？
该技术“将加深有关发育和癌症生物学的知识，这些知识可以转化为治疗策略” 说过 不列颠哥伦比亚大学的 Nozomu Yachie 博士及其同事。
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，加州大学旧金山分校格拉德斯通研究所的 Seth Shipman 博士领导的团队 设计了一个生物记录器— 被称为 Retro-Cascorder — 就像老式摄像机一样，可以一次在 DNA“磁带”上捕捉细胞的基因表达历史数天。 借助 CRISPR，这些“磁带”随后被整合到细胞的基因组中，以便日后读取。
结果数据并不完全准确 美国最有趣的家庭视频。 相反，它更像是一个记录多种生物信号并按时间顺序整齐存储它们的分类账。
“这种收集分子数据的新方法为我们提供了前所未有的细胞观察窗口，” 说过 船夫。 除了窃听细胞的发育历史（例如，它如何从普通干细胞分化而来）之外，添加 Retro-Cascorder 还可以将正常细胞转变为活体生物传感器，监测污染、病毒或其他污染物，同时测试 DNA 的能力可靠的数据存储设备。
DNA 磁带的兴起
为什么要追踪细胞的历史？
想象一下小时候的一个细胞。 从受精卵开始，它不断生长，改变其外观——例如变成皮肤细胞或神经元——对于生殖细胞来说，它会将遗传信息传递给它的孩子。 细胞的生命历程并不仅仅由其基因决定，相反，其基因指令的执行方式取决于其与邻近细胞和外部世界的相互作用：饮食、锻炼、压力以及人类宿主经历的任何事情。
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； 它们的不同之处在于哪些是打开的，哪些是关闭的。 基因表达非常强大：它可以改变细胞的身份、功能，并最终改变控制生命的生物过程。
如果能够一睹他们的内部运作情况那就太好了。
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、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。 虽然威力强大，但该过程会破坏样本。 原因是因为读取细胞内存储的基因表达信息（一种称为 RNAseq 的方法）需要分解细胞的脂肪、气泡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，知道望远镜会抹掉它所看到的任何东西——是的，这并不好。
DNA 磁带采用不同的方法。 就像视频编辑器一样，它们用由 DNA 字母组成的条形码“标记”细胞的事件——有点像时间戳。 Shipman 对于使用 DNA 作为存储设备并不陌生。 早在 2017 年，与哈佛大学的合成生物学家 George Church 博士及其团队合作， 他们编码 使用 CRISPR 进入活细菌基因组的数字电影。
DNA日记
这项新研究有一个相对简单的目标：就像运动相机一样，在特定基因开启时开始记录。
为了设计 Retro-Cascorder，团队转向了一种神秘的遗传元素，即逆转录子。 这些细菌 DNA 的小片段让科学家们困惑了几十年，直到他们意识到它们是细菌免疫系统的一部分。 早在2021，研究合著者丘奇将逆子从一种奇怪的细菌怪癖中转化而来 进入基因编辑工具 它可以筛选数百万个 DNA 变异，并同时跟踪它们的影响。 至关重要的是，他们意识到逆子可以用作标签来及时标记特定的基因变化。
在这里，该团队首先通过工程设计逆转录子来生产特定的 DNA 标签，例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，就像交通灯一样，让细胞可以启动基因。
一旦基因开启，逆转录子就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：最初在 DNA 中编码的标签首先被细胞转录成 RNA，然后被逆转录子重写回 DNA“收据”。
想想餐厅收银机。 这相当于在某个时间打印出一份订单和一张收据。
在验证该技术按预期工作后，该团队开始使用基于逆转录子的标签制作细胞“电影”。 这不是传统意义上的视频：团队仍然必须在录制结束时（大约 24 小时）分析条形码以便回放，这会破坏细胞。
及时跟踪一张快照中的基因表达变化相对简单。 跟踪一天中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 阵列就像日记，而逆转录子就像日常条目。 由逆转录子生成的 DNA 片段被整合到 CRISPR 阵列中。 与盒式磁带一样，它们包含数据，后面有间隔符（如黑屏），以帮助分隔事件。 随着新信息的添加，之前的间隔符会远离最近的条目，从而可以破译事件的时间线。
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，团队将 Retro-Cascorder 引入 大肠杆菌 （大肠杆菌），实验室最喜欢的细菌，通过基因工程实现。 整合新的结构对于这种细菌来说是轻而易举的事，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其中一个或两个 DNA 启动子，就像在随身听上点击“录音”一样。 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 CRISPR 阵列的序列（即事后读回它们）后，他们发现细胞的历史进展符合预期。
你的完整历史
新的 DNA 磁带就像记录了一部电影穿越时间的小片段。 但编辑起来很奇怪。 虽然 Retro-Cascorder 可以告诉基因激活的顺序，但它无法精确定位两个相邻事件之间的时间间隔。 就像在家庭视频中一样，舞蹈排练和晚餐的剪辑可能会在同一天进行； 或相隔数年。
但与之前的尝试相比，磁带是一次技术飞跃，信号更好、录音持续时间更长、播放效果更好。
“这还不是一个完美的系统，但我们认为它仍然比现有方法更好，现有方法只能一次测量一个事件，”希普曼说。
完美细胞纪录片导演的竞赛已经开始，大多数人都以 CRISPR 为中心。 对于 Yachie 来说，一种方法是将 good-ole'-CRISPR 替换为 碱基编辑器 or CRISPR Prime，两者对细胞基因组的损害较小。 生物“VCR”（可读取基因记录的表达）也需要升级，这可能需要更好的计算能力。
当更加完善时，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，监测细胞中的环境污染物——所有这些都不会危及生命。
