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挑戰想像力!── 以 CRISPR-Cas 系統將數位影片轉存在細菌基因體中

生物體遺傳資訊如同書庫中的億萬藏書,過去數十年來,生物學家嘗試解讀、修改基因序列與調控基因表達,隨著近年來標靶基改技術的決定性突破,科學家得以藉由 CRISPR-Cas 系統精準編輯基因序列。如今,基因工程學家更是大膽地挑戰想像力,試圖利用細胞核存放龐大資訊的能力,將短片壓縮為核苷酸儲存在大腸桿菌中 [1],著實讓人大開眼界。

來自哈佛大學的 Church 團隊,致力於拓展基因工程、基因體學、幹細胞生物學等領域的極限,其超乎想像的新穎想法以及文章產量,使得來自 Church 教授實驗室的發表,可說是每每讓人不禁為之一振又望塵莫及。

繼年初以 CRISPR-Cas9 在生物體內建立基因條碼(Genetic barcode),準確標定並成功追溯細胞圖譜(Lineage tracing)後 [2],該團隊將生物暫存的思維更加昇華。由於 Cas 蛋白原為原核生物的免疫系統,Cas1-Cas2 整合酶(Integrase)會將入侵的噬菌體序列併入 CRISPR 陣列中,若再次遭受感染時將得以辨識,並利用 Cas9 剪切酶(Endonuclease)準確破壞入侵的噬菌體 DNA。因此,該團隊藉由以電穿孔技術(Electroporation)將序列送入細菌,引導 Cas1-Cas2 整合酶將非隨機的人工序列併入 CRISPR 陣列中,再藉由高通量定序技術(High-throughput sequencing)回收暫存的資訊(圖一)。在這次的實驗結果中,該團隊成功將一張 30×30 像素的 21 色點陣圖(相當於 494 位元組),儲存到大腸桿菌中,並透過分析 65 萬個定序片段,還原了具有高達 96% 保真度的圖案;更進一步,將一個 5 格 36×26 像素的 GIF 動畫(相當於 2.6Kb)存放到大腸桿菌菌落中,成功回收具有「順序」的圖像資料(圖二)。

雖然這項研究結果顯示,這樣的挑戰還在概念階段──除了過程需要花費五天的時間,才能完成儲存僅少的資料,完整的序列亦需要多重比對才能回復(任單一細胞都無法回收到完整的序列圖像)──卻仍舊讓人興奮,分子生物學見證著將想像一一成真的時代。

 

圖一:將影像記錄在基因體中流程圖。 圖二:將動畫GIF檔記錄在細菌基因體中。 圖片來源: https://goo.gl/AMqxbe

 

參考資料:

  1. Shipman, S. L., Nivala, J., Macklis, J. D., & Church, G. M. (2017). CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria. Nature547(7663), 345-349. doi:10.1038/nature23017
  2. Kalhor, R., Mali, P., & Church, G. M. (2016). Rapidly evolving homing CRISPR barcodes. Nature Methods14(2), 195-200. doi:10.1038/nmeth.4108

 

撰文│陳尚甫

修訂│楊仁龍

About the author

陳尚甫

台大生科系畢業,目前就讀台大分子細胞學研究所碩士班二年級,由Investigator元老級創辦人黃筱鈞老師與中研院基因體中心呂仁老師共同指導。目前主要在中研院生醫所幹細胞核心實驗室出沒,參與題目主要以human somatic stem cell reprogramming與transdifferentiation為主。由於先前在不同實驗室見習 對合成生物學、發育生物學、再生醫學與臨床生醫工程都稍有涉獵與興趣,期待與大家交流,跨領域迸發新想法!