科学家们学习如何提高微生物的记忆能力

一些微生物可以形成记忆 - 尽管对研究这一过程的科学家来说不方便,但他们并不经常这样做。

洛克菲勒大学的研究人员和他们在加州大学伯克利分校的同事已经找到了一种方法,可以更频繁地使细菌编码记忆。他们的发现于12月22日在Molecular Cell中被描述。

“CRISPR,在许多细菌中发现的适应性免疫系统,通过存储DNA的片段来记忆病毒。但在本质上,这些记录事件很少发生,”资深作者,细菌学实验室负责人Luciano Marraffini说。

“我们已经发现了一种突变,导致细菌细胞获得病毒遗传记忆的频率比自然频率高100倍,”他补充道。“这种突变为我们实验室和其他地方的实验提供了强大的工具,可以促进基于DNA的数据存储设备的创建。”

如果细菌的CRISPR系统记录的病毒再次出现,则会发送一种名为Cas9的酶来摧毁它。该系统的精确度已经使其成为编辑基因组的重要工具,科学家正在寻找其他潜在的应用。

对于目前的研究,研究小组随机向Cas9基因中引入了突变,发现其中一个突变促使细菌更容易获得遗传记忆。在正常情况下,如果研究人员将100,000个细菌细胞暴露于相同的潜在致命病毒,那么只有一个人通常会获得一个DNA片段,使其能够在未来的攻击中存活下来。在设计用于携带这种新突变的细胞中,该比例增加到1,000中的一个。

这种突变很快变得对马拉菲尼实验室几乎所有项目都有用。通过使用这种方式增强遗传记忆的微生物,科学家能够生成更多关于CRISPR各方面的数据。

可能还有其他应用程序,但有些应用程序还远未实现。一些合成生物学家 - 设计和构建新型生物机器的科学家 - 认为类似CRISPR的系统可以适用于捕获有关神经元活动,细胞如何响应环境刺激或转移癌细胞的轨迹的信息。研究人员表示,虽然基于CRISPR的记录系统的开发仍存在许多障碍,但这种突变可能会使其更加真实。

这一发现也提出了一个问题:如果这种突变使细菌更有能力为自己辩护,为什么它们不能自然地进化呢?“与CRISPR进行权衡,”第一作者,实验室研究生Robert Heler解释道。虽然系统可以防御细胞,但它有时会通过从宿主而不是从入侵的病毒中获取DNA片段来熄火,导致细胞自杀。Heler说:“除非它们受到极大量需要有效的CRISPR-Cas防御的病毒的影响,否则没有突变的微生物具有生存优势,因为它们不太容易发生这种类型的自杀。”