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：
- 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. Nature, 547(7663), 345-349. doi:10.1038/nature23017
- Kalhor, R., Mali, P., & Church, G. M. (2016). Rapidly evolving homing CRISPR barcodes. Nature Methods, 14(2), 195-200. doi:10.1038/nmeth.4108
撰文│陳尚甫
