這是一個生物學和計算機科學結合的典范，麻省理工學院的科學家利用基因編輯技術將細胞變為微型計算機，可實現讀取、寫入和執行的功能。

　　DNA 計算機在 1990 年代就出現了，與電子計算機用“0”和“1”來儲存信息不同，DNA 計算機將信息儲存在構成 DNA 分子的A、C、G、T中。只是這些 DNA 信息在活細胞中不容易改變，因而計算緩慢。于是麻省理工學院的科學家希望加速這一過程，發明了一種稱作DOMINO的技術，該技術全稱是基于 DNA 的有序存儲器和迭代網絡運行者。它建立在 CRISPR 基因編輯技術基礎上，旨在響應小分子或光照等生物信號。

　　8 月 22 日，這篇文章以《活細胞中單核苷酸分辨率的計算和儲存》為題發表在《分子細胞》期刊（Molecular Cell）。通訊作者是來自麻省理工學院的施密特科學博士后研究員 Fahim Farzadfard 與電氣工程與計算機科學系、生物工程系副教授盧冠達（Timothy K. Lu）。

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這是 Fahim Farzadfard 做的藝術圖。他們開發的 DOMINO 是一種記錄生物信息并在活細胞中進行邏輯和計算的技術，該技術通過 DNA 寫入事件的級聯（類似于多米諾骨牌），為活細胞中的信息傳播、計算和存儲提供了強大且可擴展的方法。來源：Fahim Farzadfard

利用堿基突變實現單核苷酸分辨率，無需破壞細胞

　　因其普遍存在的持久性和生物功能兼容性，DNA 成為人工生物信息儲存的理想介質，特別是隨著 DNA 測序效率的提升以及成本下降，其信息儲存優勢日漸明顯。

　　如今基因組編輯技術讓人們能更便捷改變遺傳信息。DNA 編輯器可以對活細胞內所含 DNA 進行插入、刪除、倒位或堿基替換突變等形式，并可用于區分不同 DNA 記憶狀態。短暫的細胞事件，例如蛋白質-蛋白質相互作用，可以作為轉錄輸出被 DNA 信息儲存。

　　此前的活細胞 DNA 技術只能讀取或寫入，也就是說，在一兩個分子事件后該細胞就停止了數據儲存，其編碼容量和可擴展性受到限制，不能用來連續監控動態信號或長時間歷史信號，并且缺乏便捷的讀寫和監控操作模式。

　　因此，人們需要一種高效且穩健的分子記錄和 DNA 記憶平臺，像硬盤一樣能夠進行信息存儲和計算，Fahim Farzadfard 等人構建的活細胞 DNA 分子記錄儀則能夠編碼更多信息。

　　這是一種非破壞性的 DNA 報告基因回路，可以響應細胞內的指導 RNA（gRNA）突變儲存狀態，最后以不同水平輸出。因此系統讀取只需要測定回路狀態，而無需破壞細胞和 DNA 測序讀數。

DOMINO 存儲器架構的示意圖。來源：Molecular Cell

　　為了達到更高的精確度，研究人員將一種 Cas9 與最近開發的堿基編輯酶融合，該酶可以將核苷酸胞嘧啶轉化為胸腺嘧啶而不破壞雙鏈 DNA。具體而言，研究人員利用基因編輯技術構建了一個單核苷酸分辨率的讀寫頭，這個讀寫頭由與胞苷脫氨酶融合的 Cas9 切口酶與尿嘧啶 DNA 糖基化酶抑制劑組成。Cas9 切口酶用來讀取，由 gRNA 指向特定的 DNA 靶標并將其切割，胞苷脫氨酶用來寫入，而尿嘧啶 DNA 糖基化酶抑制劑則可以通過阻斷細胞修復機制提高寫入效率。

　　一旦 12 堿基對的 gRNA 序列定位到靶標，編輯器模塊可以讓靶標序列5’末端（5’末端表示 DNA 復制或轉錄的方向）附近的脫氧胞苷脫氨基，之后引入胞嘧啶-胸腺嘧啶突變，從而在 DNA 中產生永久記錄。也就是說，只有細胞中存在特定 DNA 序列時，胞嘧啶轉換為胸腺嘧啶才會發生，那么通過測量這種突變即可得到細胞遇到的信號。

　　讀寫頭在誘導型啟動子控制下，可以通過內部或外部輸入控制該系統中的 DNA 寫入。這里讀寫頭的表達可看作是操作信號，而控制 gRNA 表達的信號則是獨立可控的輸入。

　　研究人員還可以通過設計 DOMINO 系統來實現每套輸入得到一個獨特的識別標志，那么從這個識別標志也能推測出原來的系統輸入是什么。依據研究人員的設計，最終的輸出結果會激活綠色熒光蛋白表達，那么通過測量綠色熒光的表達水平，即可得知細胞內發生了多少突變，這就避免了測序破壞細胞。

　　通過這樣的操作，DOMINO 系統實現了超越 DNA 只能讀寫而輸出只能破壞細胞來測序讀取的做法，并且實現長期持續記錄和監測。

這是 Fahim Farzadfard 做的藝術圖。DOMINO 可以實現活細胞中 DNA 計算的各種邏輯。來源：Fahim Farzadfard

　　此外，DOMINO 系統還能夠通過分層多個 DOMINO 運算符來構建各種形式的邏輯。具體而言，DNA 事件寫入邏輯可以與順序無關，可以與順序有關，也可與時間有關。還可與基于 CRISPR 的基因調控策略結合，比如 CRISPR 干擾（CRISPRi）和 CRISPR 激活（CRISPRa），實現模塊化和通用的儲存以及基因調控功能。

存儲器的進化

　　數年前，盧冠達實驗室開發了一種基于稱為 DNA 重組酶的記憶存儲系統。當特定事件發生時，它可以翻轉 DNA 片段。然而，這種方法在規模上是有限的：它只能記錄一個或兩個事件，因為必須翻轉的 DNA 序列非常大，并且每個都需要不同的重組酶。

　　之后，盧冠達和 Farzadfard 開發了一種更具針對性的方法。他們將新 DNA 序列插入基因組中的預定位置，但這種方法僅適用于細菌細胞。2016 年，他們開發了一種基于 CRISPR 的記憶存儲系統，但它依賴于細胞自身的 DNA 修復機制，以便在 Cas9 切割 DNA 后產生突變。這意味著突變結果并不總是可預測的，因此限制了可以存儲的信息量。

　　如今，他們的 DOMINO 系統使用的是 CRISPR-Cas9 酶的變體，它可以產生更明確的突變，因為它可以直接修改和存儲 DNA 堿基中的信息，而不是切割 DNA 并等待細胞修復損傷。研究人員證明，這個系統可以在人體和細菌細胞中正常工作。

　　這個系統與其他使用多種蛋白質的精確 DNA 讀寫系統不同，DOMINO 僅僅使用短小的 gRNA 和少量蛋白質，這會減少細胞的代謝負擔。

　　通過讀寫頭，DOMINO 將基因組 DNA 轉換為可尋址、可讀和寫入的介質，可以在活細胞中加工和存儲信息。僅僅通過改變 gRNA 序列即可構建各種 DOMINO 操縱子，這樣該系統的應用范圍就具備了極大的擴展空間。同時，由于該系統分辨率高，那么可以構建多個 gRNA 的操縱子。

為下一代存儲器鋪路

　　活細胞可以變成信息記錄裝置，這些記錄裝置將自身信號動態歷史儲存為永久的 DNA 記錄，反過來為研究人員提供它們在自然過程發展的證據。要知道，人們不僅僅需要生物反應的快照。在生物系統中，許多分子事件非常短暫，因此很難在自然環境下檢測和研究。而 DNA 編輯可以用來創建分子記錄儀，累積下來的突變可通過 DNA 測序或功能分析加以檢索，以推斷原始信息。

　　這些策略已經有了。例如，通過信號-響應啟動子，諸如是否存在、持續時常、強度、時序和時間相關的生物線索（如代謝物和細胞因子）或者環境線索（如光、污染物、噬菌體或溫度變化）等記錄信息都可被寫入 DNA。

　　DOMINO 系統就是這個分子記錄儀。研究人員指出，DOMINO 系統提升了活細胞中進行分子記錄和計算的能力，這就提高了監測和控制細胞表型的能力。這些類型的復雜存儲器電路的應用包括跟蹤在細胞分化時代代相傳的變化，或者創建可以檢測并可能治療患病細胞的傳感器。

　　DOMINO 中的誘導型啟動子是可以替換的，那么這就帶來了各種應用的可能。比如可以在該系統中記錄各種生物學信號或生理學信號，如糖、重金屬如銅離子以及暗室效應，也可以記錄胃腸道炎癥的生物標志物，如血紅素、過氧化氫和一氧化氮。

　　其中的一個應用是檢測糖。將響應乳糖的 DNA 編碼插入到細菌中，當細菌遇到糖時，DOMINO 會改變細菌的 DNA。此外，這些事件印跡會留在 DNA 里，不會隨著事件發生后而消退。

　　同樣，DOMINO 可以設計出檢測癌癥相關基因的路徑，也可以編程打開抗癌分子的基因，使系統能夠檢測和治療癌癥。

　　盧冠達說，本研究試圖克服以前的局限性，它使我們更接近最終愿景，即擁有強大、高度可擴展和可定義的內存系統，這類似于硬盤驅動器的工作方式。

　　研究人員認為，該研究解決了當前體內記錄和計算技術的許多局限性，并為用于活細胞中的信息處理和存儲的下一代存儲器架構鋪平了道路。

　　在 Farzadfard 和盧冠達于 2018 年 8 月 31 日在Science發表的綜述文章中，他們論述了這個分子記錄儀的未來。

　　在將來，發育生物學家可以使用 DNA 記錄儀研究分化和發育途徑；癌癥生物學家可以使用這些 DNA 記錄儀來研究腫瘤發展，并深入了解腫瘤微環境中與癌癥異質性有關的細胞和環境線索；免疫學家可以使用 DNA 記錄儀來研究免疫細胞成熟、記憶形成和免疫應答過程中的信號轉導；微生物學家可以利用其來研究細菌群落和生物膜內的信號動力學和分子相互作用。

專訪第一作者兼通訊作者 Fahim Farzadfard 博士：我們剛開始進行細胞編程的入門

　　DeepTech：在這項研究中，DOMINO 系統的最大創新是單堿基突變，即讓胞嘧啶變成胸腺嘧啶，這也是細胞無需被破壞的關鍵，是這樣嗎？

　　Fahim Farzadfard：是這樣。這項研究工作的其他突破是，我們可以在活細胞中即時進行讀取和寫入，這就可以讓我們實現多個讀取事件和寫入事件的分層，以便讓我們記錄或控制 DNA 分子事件的發生順序和發生時間。另外，DOMINO 實現的分子記錄規模、模塊性和魯棒性（穩健）也顯著勝過此前的方法。

　　DeepTech：我們很想知道，你是如何找到這么巧妙的方法的？

　　Fahim Farzadfard：我一直致力于開發 DNA 分子的信息處理和記錄技術。我開發的第一個系統是 SCRIBE 系統，該系統于 2014 年在Science上發表，并證明了使用 DNA 書寫記錄 DNA 中的生物信息的可能性。之后，我一直試圖實現使用 DNA 作為生物細胞存儲器的最終愿景，希望它的使用類似使用計算機硬盤，而 DOMINO 是這項工作的繼續，也是接近這一愿景的最新努力。

　　DeepTech：當前的 DOMINO 系統還有哪些局限嗎？

　　Fahim Farzadfard：我們還需要在兩個方面進行改進，即時間分辨率和并行處理方面，這會對神經記錄這樣的應用非常有幫助。

　　DeepTech：計算機是物理信號的計算過程，DNA 計算則是化學反應過程，我們應該如何理解基于這兩種不同反應的計算系統的差異？我們應該對 DNA 計算有什么期望？

　　Fahim Farzadfard：與硬盤驅動的“0”和“1”存儲器不同，這里我們使用遺傳編碼A、C、G、T的讀寫頭來操作 DNA 存儲器。

　　一旦有了存儲系統，我們就可以根據各種形式的邏輯用于數字計算或其他形式的計算（如模擬計算）來處理存儲的信息，就像我們使用硬盤驅動器和處理器來執行復雜的硅計算一樣。

　　我認為基于硅的計算機和基于 DNA 的活細胞計算機之間肯定存在差異。活細胞中的回路反應缺乏聯網區域化的相互作用，因為所有的反應發生在同樣的隔斷區中。

　　另一個大的區別是，因為至少在當前 DNA 計算依賴于生物化學過程，例如基因表達，所以它比電子計算機的運算要慢得多。這個限制與時間尺度有關，因為許多生物過程如細胞信號轉導、分化和發育的過程是有限制的。

　　需要強調的是，在基于 DNA 的計算中，我們無法接近電子計算機的處理能力。然而，基于 DNA 的計算機提供了強大的與生物系統交互的計算工具，這是電子計算機無法實現的。

　　在這里，即使些微的計算都可能對疾病診斷和醫學應用有非常強大的助推，尤其是在傳統技術無法實現的領域。

　　DeepTech：你認為 DOMINO 系統在 DNA 計算發展中處于什么位置？總的來看，DNA 計算目前發展到了哪個階段？

　　Fahim Farzadfard：隨著 CRISPR-Cas9 和堿基編輯技術的發展，DNA 分子記錄和計算的技術也在迅速發展。如今有了 DOMINO 系統的幫助，我們證明了采用精確的 DNA 編輯可以實現各種形式的計算操作，因為不同的突變狀態是可以被 DNA 編輯器精確控制的。

　　我認為先前的技術瓶頸在于，DNA 編輯太隨機，一些突變是不可預測的，并且缺乏固有的信息讀取技術。那么這實際上就不能用于計算，因為計算需要可預測的結果，舉個例子就是，如果事件A發生則事件B就會發生，如果事件B發生則事件C就會發生。

　　因此人們需要一個精確的 DNA 編輯器以及固有的信息讀取途徑。對于前者，在某個突變發生時，會導致級聯邏輯運算產生，而后者則是對于動態讀取活細胞信息所必需的。DOMINO 系統正是滿足了上述要求。

　　我認為 DOMINO 是在活細胞中構建通用讀寫操作的重要一步，可將其視為一種理想的通用圖靈機。

　　如果我們將細胞視為生物計算機，那么對這些細胞進行穩健編程的能力將為我們提供無與倫比的方法來研究和控制活細胞中分子事件的變化。

　　我想我們剛開始進行細胞編程的入門。

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Fahim Farzadfard 簡介

　　Fahim Farzadfard，生于伊朗，畢業于德黑蘭大學生物技術專業，并在麻省理工學院獲得博士學位。博士期間，他為活細胞的分子記錄和計算開發了多個基礎平臺， 他引入了基于 DNA 分子記錄和模擬儲存的概念，并發明了一個模塊化和可擴展的平臺 SCRIBE（Synthetic Cellular Recorders Integrating Biological Events），后者可用于將信號動態記錄到細胞自身的基因組 DNA 中。

　　作為施密特科學博士后研究員，Fahim Farzadfard 同時在哈佛大學 George Church 和麻省理工學院 Ed Boynton 兩個實驗室工作，他的目標是進一步推進分子記錄技術并將其應用于大腦研究。