Genom några smarta molekylära hack, forskare vid Columbia University Medical Center har omvandlat ett naturligt bakteriellt immunsystem till en mikroskopisk dataregistrator, lägga grunden för en ny klass av teknik som använder bakterieceller för allt från sjukdomsdiagnos till miljöövervakning.

Forskarna modifierade en vanlig laboratoriestam av den allestädes närvarande människans tarmmikro Escherichia coli , gör det möjligt för bakterierna att inte bara registrera sina interaktioner med miljön utan också tidsstämpla händelserna.

"Sådana bakterier, sväljs av en patient, kanske kan registrera de förändringar de upplever genom hela matsmältningskanalen, ger en oöverträffad syn på tidigare otillgängliga fenomen, "säger Harris Wang, biträdande professor vid Institutionen för patologi och cellbiologi och systembiologi vid CUMC och seniorförfattare om det nya arbetet, beskrivs i dagens nummer av Vetenskap . Andra tillämpningar kan innefatta miljöavkänning och grundläggande studier inom ekologi och mikrobiologi, där bakterier kan övervaka annars osynliga förändringar utan att störa deras omgivning.

Wang och medlemmar i hans laboratorium skapade den mikroskopiska dataregistratorn genom att dra fördel av CRISPR-Cas, ett immunsystem hos många bakteriearter. CRISPR-Cas kopierar DNA-utdrag från invaderande virus så att efterföljande generationer av bakterier kan avvärja dessa patogener mer effektivt. Som ett resultat, CRISPR -lokuset i bakteriegenomet ackumulerar en kronologisk registrering av de bakterievirus som det och dess förfäder har överlevt. När samma virus försöker infektera igen, CRISPR-Cas-systemet kan känna igen och eliminera dem.

"CRISPR-Cas-systemet är en naturlig biologisk minnesenhet, "säger Wang." Ur ett teknikperspektiv som faktiskt är ganska trevligt, för det är redan ett system som har finslipats genom evolutionen för att vara riktigt bra på att lagra information. "

CRISPR-Cas använder normalt sina inspelade sekvenser för att detektera och skära DNA från inkommande fag. Specificiteten för denna DNA-skärningsaktivitet har gjort CRISPR-Cas till älskling för genterapiforskare, som har modifierat det för att göra exakta förändringar i genomerna hos odlade celler, försöksdjur, och även människor. Verkligen, över ett dussin kliniska prövningar pågår nu för att behandla olika sjukdomar genom CRISPR-Cas genterapi.

Men Ravi Sheth, en doktorand i Wangs laboratorium, såg orealiserad potential i CRISPR-Cas inspelningsfunktion. "När du tänker på att spela in tidsförändrade signaler med elektronik, eller en ljudinspelning ... det är en mycket kraftfull teknik, men vi tänkte hur kan du skala detta till levande celler själva? "säger Sheth.

För att bygga sin mikroskopiska inspelare, Sheth och andra medlemmar i Wang -labbet modifierade en bit DNA som kallas en plasmid, ger den möjligheten att skapa fler kopior av sig själv i bakteriecellen som svar på en extern signal. En separat inspelningsplasmid, som driver inspelaren och markerar tid, uttrycker komponenter i CRISPR-Cas-systemet. I avsaknad av en extern signal, endast registreringsplasmiden är aktiv, och cellen lägger till kopior av en distanssekvens till CRISPR -lokuset i dess genom. När en extern signal detekteras av cellen, den andra plasmiden aktiveras också, vilket leder till infogning av dess sekvenser istället. Resultatet är en blandning av bakgrundssekvenser som spelar in tid och signalsekvenser som ändras beroende på cellens miljö. Forskarna kan sedan undersöka det bakteriella CRISPR -locuset och använda beräkningsverktyg för att läsa inspelningen och dess tidpunkt.

Det aktuella papperet visar att systemet kan hantera minst tre samtidiga signaler och spela in i dagar.

"Nu planerar vi att titta på olika markörer som kan ändras under förändringar i naturliga eller sjukdomstillstånd, i mag -tarmsystemet eller någon annanstans, "säger Dr Wang.

Syntetiska biologer har tidigare använt CRISPR för att lagra dikter, böcker, och bilder i DNA, men detta är första gången CRISPR har använts för att registrera mobilaktivitet och tidpunkten för dessa händelser.

De Vetenskap papper heter "Multiplexinspelning av cellulära händelser över 1 gång i ett CRISPR -biologiskt band."