利用可以精确编辑DNA碱基的技术，麻省理工学院的研究人员创造了一种在活细胞(包括人类细胞)的DNA中存储复杂“记忆”的方法。

名为DOMINO的新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，例如接触某些化学物质。这种记忆存储能力可以作为复杂回路的基础，在复杂回路中，一个事件或一系列事件触发另一个事件，例如荧光蛋白的产生。

“这个平台为我们提供了一种可扩展的方式来编码细胞记忆和逻辑运算，”麻省理工学院施密特科学博士后研究员、论文第一作者Fahim Farzadfard说。“与硅基计算机类似，为了创建复杂形式的逻辑和计算，我们需要访问大量内存。”

这些类型的复杂存储电路的应用包括跟踪细胞分化过程中代代相传的变化，或者创建可以检测并可能治疗患病细胞的传感器。

麻省理工学院电气工程、计算机科学和生物工程副教授蒂莫西卢(Timothy Lu)是这项研究的高级作者，该研究发表在8月22日出版的《分子细胞》杂志上。这篇论文的其他作者包括哈佛大学研究生Nava Gharaei、麻省理工学院前研究员Yasutomi Higashikuni、麻省理工学院研究生Giyoung Jung和麻省理工学院博士后Jicong Cao。用DNA写下来

几年前，卢的实验室开发了一种基于DNA重组酶的记忆存储系统，该系统可以在特定事件发生时“翻转”DNA片段。然而，这种方法在规模上是有限的：它只能记录一个或两个事件，因为要倒序的DNA序列非常大，而且每一个都需要不同的重组酶。

然后，Lu和Farzadfard开发了一种更具针对性的方法，他们可以在基因组的预定位置插入一个新的DNA序列，但这种方法只适用于细菌细胞。2016年，他们基于CRISPR开发了一种记忆存储系统，这是一种基因组编辑系统，由一种名为Cas9的DNA切割酶和一条短RNA链组成，该RNA链将酶导向基因组的特定区域。

这种基于CRISPR的过程允许研究人员在特定的DNA位置插入突变，但它依赖于细胞自身的DNA修复机制，并在Cas9切割DNA后产生突变。这意味着突变结果并不总是可预测的，因此限制了可以存储的信息量。

新的多米诺系统使用了CRISPR-Cas9酶的变体，可以产生更确定的突变，因为它可以直接修改并存储DNA碱基中的信息，而不是切割DNA并等待细胞修复损伤。研究人员证明，他们可以让这个系统在人体和细菌细胞中正常工作。“这篇文章试图克服以前的局限性，”鲁说。“它使我们更接近终极愿景，即拥有强大、高度可扩展和定义明确的内存系统，类似于硬盘的工作方式。”

为了达到更高的准确性，研究人员在最近开发的“碱基编辑”酶上附加了一个版本的Cas9，这种酶可以在不破坏双链DNA的情况下将胞嘧啶核苷酸转化为胸腺嘧啶。

只有当细胞内有一些输入时，才会产生一个引导RNA链，引导基本编辑切换位置。当有一个目标输入时，指导RNA会将基因编辑器引导到研究人员添加到细胞核中的一段DNA，或根据应用在细胞自身基因组中找到的基因。通过测量作为胸腺嘧啶突变的胞嘧啶突变，研究人员可以确定细胞暴露于哪种细胞。

“你可以设计系统，使每个输入组合都为你提供一个独特的突变签名，从中你可以知道是哪个输入组合，”法尔扎德法尔德说。复杂计算研究人员使用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。他们还创造了一种电路，可以记录特定顺序的级联事件，类似于多米诺骨牌倒下的阵列。

大多数早期版本的细胞记忆需要DNA测序来读取存储的记忆。但是这个过程会破坏细胞，所以无法对其进行进一步的实验。在这项研究中，研究人员设计了他们的电路，最终输出激活绿色荧光蛋白(GFP)的基因。通过测量荧光水平，研究人员可以估计在不杀死细胞的情况下积累了多少突变。

当一些信号分子被激活时，这种技术可能被用于创建产生GFP的小鼠免疫细胞，研究人员可以定期收集小鼠的血液样本进行分析。

研究人员说，另一个可能的应用是设计可以检测与癌症有关的基因活动的电路。这种电路也可以通过编程打开产生抗癌分子的基因，使系统能够检测和治疗疾病。“这些应用可能离实际应用还很远，但它们肯定是通过这项技术实现的，”卢说。