محققان مرکز پزشکی کلمبیا، از طریق شکستن چند مولکول هوشمند، یک سیستم ایمنی باکتریایی را به یک ضبط میکروسکوپی اطلاعات تبدیل کرده‌اند. با این کار، اساسی برای سطح جدید تکنولوژی که از سلول‌های باکتریایی برای همه چیز از تشخیص بیماری تا نظارت بر محیط زیست، طرح شده است. محققان، یک میکروب Escherichia coli معمولی را که در همه جای روده انسان به طور معمول وجود دارد، تغییر دادند. با این کار باکتری‌ها را قادر می‌سازند نه تنها تعاملات خود با محیط زیست را ثبت کنند، بلکه حوادث زمانی را نیز نشان‌دار کنند.
Harris Wang، استاد گروه پاتولوژی و سلول‌های زیستی و بیولوژی سیستم‌های CUMC در شمارۀ امروز Science تشریح کرد:
چنین باکتری‌هایی که میتوانند توسط بیمار بلعیده شوند، شاید بتوانند تغییراتی که در کل دستگاه گوارش تجربه می‌شود، ثبت کنند. اینگونه دید بی‌سابقه‌ای از پدیده‌هایی که قبلا غیرقابل دسترسی بوده، بدست می‌آید.
برنامه‌های دیگر میتوانند شامل احساس کردن محیط و مطالعات پایه‌ای در بوم شناسی و میکروبیولوژی باشند. باکتری‌ها میتوانند تغییرات نامرئی را بدون برهم زدن محیط اطرافشان نظارت کنند.
مقالات مرتبط:
عصری جدید در بیولوژی مولکولی با سیستم اصلاح ژنی CRISPR/Cas9
Wang و اعضای آزمایشگاه او با استفاده از CRISPR-Cas، که نوعی سیستم ایمنی در بسیاری از گونه‌های باکتری است، یک ضبط کننده‌ی اطلاعات میکروسکوپی ایجاد کردند. CRISPR-Cas تکه‌هایی از DNA ویروس مهاجم را رونویسی می‌کند، به طوری که نسل‌های بعدی از باکتری می‌تواند این پاتوژن‌ها را به طور موثرتری دفع کند. در نتیجه، مکان هندسی CRISPR از ژنوم باکتری، سابقه‌ی ویروس باکتری را که او و اجدادش جان سالم به در برده‌اند را به ترتیب وقوع میاندوزد. وقتی ویروس‌های مشابه دوباره سعی در آلوده کردن دارند، یک سیستم CRISPR-Cas دارند که می‌تواند تشخیص داده و آن را از بین ببرد. وانگ می‌گوید:
سیستم CRISPR-Cas یک دستگاه حافظه طبیعی است. از دیدگاه مهندسی این بسیار جالب است، زیرا این در حال حاضر یک سیستم است که در تکامل به درستی عمل کرده است تا در ذخیره اطلاعات بسیار عالی عمل کند.
CRISPR-Casها معمولا از قطعات ثبت شده‌ی خود برای تشخیص و برش DNA باکتری‌خوارها استفاده می‌کند.
این خاصیت، فعالیت برش DNA ،CRISPR-Cas را محبوب محققان ژن درمانی کرده است که آن را اصلاح می‌کنند تا تغییرات دقیقی در ژنوم سلول‌های کشت شده، حیوانات آزمایشگاهی و حتی انسان ایجاد کنند.
در واقع از طریق آزمایش ژن CRISPR-Cas، بیش از دوازده آزمایش بالینی برای درمان بیماری‌های مختلف در حال انجام است.
اما Ravi Sheth، از فارغ التحصیلان آزمایشگاه Wang، متوجه توانایی غیرقابل درک در عملکرد ضبط CRISPR-Cas شد:
وقتی درباره‌ی ضبط موقت تغییرات سیگنال‌ها با الکترونیک‌ها یا با ضبط صوت فکر می‌کنیم، این یک تکنولوژی بسیار قدرتمند است. اما اکنون فکر می‌کنیم که چگونه می‌توان این را به سلول‌های زنده تبدیل کرد؟
مقاله‌ی مرتبط: صدا، تصویر، CRISPR: ذخیره‌سازی فیلم در DNA با ویرایش ژن
برای ساخت ضبط کننده‌های میکروسکوپی، Sheth و دیگر اعضای آزمایشگاه Wang، یک قطعه از DNA به نام پلازمید را اصلاح کردند، درنتیجه به آن توانایی ایجاد نسخه‌های بیشتر خود را در سلول‌های باکتریایی در پاسخ به یک سیگنال خارجی دادند. یک پلازمید ضبط کننده‌ی جداگانه که رکوردر را تحریک و زمان را نشان می‌دهد، اجزای سیستم CRISPR-Cas را توضیح می‌دهد. در نبود یک سیگنال خارجی، تنها ضبط کننده‌ی پلازمید فعال است، و سلول یک قطعه‌ی نگهدارنده‌ی فضا به مکان هندسی CRISPR در ژنوم آن اضافه می‌کند. وقتی یک سیگنال خارجی توسط سلول تشخیص داده می‌شود، پلازمید دیگر نیز فعال می‌شود و به جای آن به مقصد این قطعه ختم می‌شود. نتیجه مخلوطی از توالی‌های پس‌زمینه است که زمان و سیگنال‌های قطعات را بسته به تغییرات محیط سلول ضبط می‌کند. سپس محققان میتوانند مکان هندسی باکتریایی را بررسی کرده و از ابزارهای محاسباتی برای خواندن اطلاعات ضبط شده و زمان بندی آن استفاده کنند.
مقاله حاضر ثابت می‌کند این سیستم می‌تواند حداقل سه سیگنال را همزمان اداره کرده و به مدت چند روز اطلاعات ثبت کند.
دکتر وانگ تصریح کرد:
در حال حاضر ما قصد داریم دنبال نشانگرهای مختلفی که ممکن است تحت تغییراتی در وضعیت‌های طبیعی یا بیماری در دستگاه گوارش و یا جاهای دیگر بوجود بیاید، بگردیم.
همین اواخر، زیست شناسان از CRISPR برای ذخیره‌ی اشعار، کتاب‌ها و عکس‌ها در DNA استفاده کرده‌اند. اما این اولین بار است که از CRISPR برای ثبت فعالیت‌های سلولی و زمان بندی این اتفاقات استفاده شده است.
