将活细胞想象成小型计算机，可以给出足够精确的读写“硬件”，记录和处理单核苷酸突变和DNA片段而不是位和字节。麻省理工学院的科学家刚刚介绍了这种硬件。其核心是CRISPR碱基编辑系统，其可将胞嘧啶(C)引入胸腺嘧啶(T)突变至引导RNA靶向的DNA片段。

CRISPR基因编辑系统可以可靠地覆盖“比特级别”的DNA，因为这些系统与普通的CRISPR基因编辑系统不同，不会使DNA受到双链断裂的影响。普通的CRISPR基因编辑系统依赖于细胞自身的DNA修复机制，这可能导致不确定的突变结果，限制了可以存储的信息量。

随着他们应用CRISPR基础编辑，麻省理工学院的科学家可能会带来Cellular Computation 2.0。他们创建了一个名为DOMINO(基于DNA的有序存储器和迭代网络运算符)的系统 - 可用于记录细胞生命周期中许多事件的强度，持续时间，顺序和时间，例如暴露于某些细胞。化学品。然后可以处理细胞“记忆”，使得一个事件或一系列事件将触发另一事件，例如荧光蛋白的产生。

“我们需要更好的策略来揭示复杂的生物学如何发挥作用，特别是在可能发生多种生物事件的癌症等疾病中，将正常细胞转化为患病细胞，”麻省理工学院电气工程师兼计算机科学家Timothy Lu博士说。博士学院。Lu及其同事，包括施密特科学研究员Fahim Farzadfard博士，开发了DOMINO，以超越现有策略的记录和扩展能力。

“有了[DOMINO]，我们正在使用DNA作为记忆带来永久记录疾病中发生的生物事件，”Lu阐述道。“这项技术可以让我们更深入地了解随着时间的推移，哪些信号会上下起伏，从而推动疾病的发展。”

关于DOMINO的详细信息出现在8月22日的“ 分子细胞 ”杂志上，题目为“ 单核苷酸 - 分辨率计算和活细胞内存 ”。根据这篇文章，DOMINO可用于编码细菌和真核细胞中的逻辑和记忆。 。

“DOMINO操作员可以进行模拟和数字分子记录，以便对信号动态和细胞事件进行长期监测，”该文章的作者写道。“此外，多个操作员可以分层和互连，以编码顺序无关，顺序和时间逻辑，允许记录和控制细胞中分子事件的组合，顺序和时间。”

DOMINO是一个由操作员单元组成的模块化系统。每个单元由基础编辑器(与胞苷脱氨酶融合的Cas9的非切割变体)和一个与基因组上的互补序列结合的指导RNA组成，并将碱基编辑器募集到该序列。一旦被招募，基础编辑可以引入C-to-T突变。

DOMINO操纵子中的指导RNA可以这样设计，即只有在先前事件首次将某个突变引入该序列后才能与其靶序列结合。因此，对于基础编辑器进行更改，必须先进行先前的突变，以便可以进行下一个突变。如果特定序列发生突变，则可能发生下一步骤。如果它没有变异，那么下一步就不会发生。

“你可以设计系统，使每个输入组合为你提供一个独特的突变签名，”Farzadfard解释说。“从那个签名中，你可以分辨出哪些输入组合已存在。”

研究人员使用DOMINO创建执行逻辑计算的电路，包括AND和OR门，可以检测多个输入的存在。他们还创建了可以记录以特定顺序发生的级联事件的电路，类似于多米诺骨牌下降的阵列。

大多数先前版本的蜂窝存储器存储器需要通过对DNA进行测序来读取存储的存储器。然而，该过程会破坏细胞，因此不能对它们进行进一步的实验。在这项研究中，研究人员设计了他们的电路，以便最终输出激活绿色荧光蛋白(GFP)的基因。通过测量荧光水平，研究人员可以估计累积了多少突变，而不会杀死细胞。

目前，该团队已使用该技术记录大约数小时的事件。但是他们希望他们可以改善时间分辨率并使其适应记录在更快的时间尺度上发生的细胞事件。他们还计划将DOMINO的应用程序扩展到高度并行计算和记录，以处理和查询更复杂的生物事件。

“这种类型的生物计算是获取和处理信息的一种令人兴奋的新方式，”Lu说。“这是利用细胞中自然记忆和计算能力的长期途径的一部分。”

DOMINO的潜在应用包括创建在某些信号分子被激活时产生GFP的小鼠免疫细胞，研究人员可以通过定期从小鼠中采集血样来分析。

研究人员说，另一个可能的应用是设计能够检测与癌症相关的基因活动的电路。这样的电路也可以编程为打开产生抗癌分子的基因，使系统能够检测和治疗疾病。“那些应用程序可能会远离现实世界的使用，”Lu指出，“但它们肯定是通过这种技术实现的。