PNAS：基于DNA的可重写记忆模块

　　

生物通报道  为了记录活细胞中的生物学事件，合成生物学家Drew Endy和他的研究小组成功构建出了第一个基于DNA的可重写记忆模块。相关论文发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上。

当我们谈及数据存储时，通常是就比特（bits）、硬盘（hard drive）和服务器（servers）而言。然而近来科学家们一直在寻找新的存储设备：DNA。他们的想法基于DNA能够记录所有触发衰老、癌症和其他发育过程的细胞事件。但是到目前为止科学家们还只创造出有限的单次写入技术。

现在来自斯坦福大学的研究人员设计出了第一个基于DNA的可重写记忆模块，将其命名为重组酶可寻址数据（recombinase addressable data ，RAD）模块，它可在活细胞中提供高达1位的数据存储。这种模块能够写入、清除和重写数据记录像细胞分裂一样的重复事件。与之相反，从前的基于DNA单次写入存储系统只能处理线性数据。

斯坦福大学Drew Endy实验室的博士后、研究作者Jerome Bonnet说：“想象一张光盘（CD），你只能在上面刻录一次……很快你就会将其空间填满。现在我们想出了一种方法可以根据我们的意愿写入及重写多次，在性能上我们没有看到任何的变化。”

为了构建出这一模块，Bonnet和他的共同作者们需要在两种状态间重复可靠地改变一段DNA序列的遗传定向。在一种状态中，序列表达一种绿色荧光蛋白；在另一种状态中，则表达红色荧光蛋白。为了在两种状态间切换，研究人员控制了两种蛋白：整合酶（integrase）和切除酶（integrase）的合成。在他们的系统中，整合酶可以逆转DNA序列；两种酶同时存在就会将模体重设为初始的方向。

              
这种RAD模块由设置和重设置（set-and-reset）输入信号驱动，在微生物中修改DNA部分序列来确定在紫外灯下单细胞生物体将如何发出荧光。微生物发出红色或绿色光取决于DNA片段的定向。

但是当这两种蛋白被置于同一个细胞内时会高度的不稳定，这导致大量初期的设计都已失败告终。文章的共同作者、斯坦福大学的研究生Pakpoom Subsoontorn 说：“在一个活细胞中进行这种化学计量非常的棘手。我们需要精确地控制每个蛋白多少必须到达正确的状态。“

经过3年的优化设计，研究小组找到了这两种蛋白的适当平衡。在新研究论文中，研究人员描述了他们的RAD记忆元件，它能够在缺乏外源基因表达的情况下超过100次细胞分裂中
被动存储信息。

现在，该研究小组正在探索其他的酶以提高他们方法的效率，他们的下一个目标是将模块的存储性能提高到8位（bits）或1字节（byte）。

“如果你想用这种存储器来追踪单个活细胞中的事件例如用于研究衰老，你正在追踪的事件规模或数量通常是50-200个事件。我们将需要大约8位的数据存储来记录它，”Subsoontorn说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Rewritable digital data storage in live cells via engineered control of recombination directionality

The use of synthetic biological systems in research, healthcare, and manufacturing often requires autonomous history-dependent behavior and therefore some form of engineered biological memory. For example, the study or reprogramming of aging, cancer, or development would benefit from genetically encoded counters capable of recording up to several hundred cell division or differentiation events. Although genetic material itself provides a natural data storage medium, tools that allow researchers to reliably and reversibly write information to DNA in vivo are lacking. Here, we demonstrate a rewriteable recombinase addressable data (RAD) module that reliably stores digital information within a chromosome. RAD modules use serine integrase and excisionase functions adapted from bacteriophage to invert and restore specific DNA sequences. Our core RAD memory element is capable of passive information storage in the absence of heterologous gene expression for over 100 cell divisions and can be switched repeatedly without performance degradation, as is required to support combinatorial data storage. We also demonstrate how programmed stochasticity in RAD system performance arising from bidirectional recombination can be achieved and tuned by varying the synthesis and degradation rates of recombinase proteins. The serine recombinase functions used here do not require cell-specific cofactors and should be useful in extending computing and control methods to the study and engineering of many biological systems.