生命科學

細菌錄音機

科學家改造細菌,讓DNA自行記錄環境中的生化訊號。

撰文/薩普拉克格魯(Yasemin Saplakoglu)
翻譯/林慧珍

生命科學

細菌錄音機

科學家改造細菌,讓DNA自行記錄環境中的生化訊號。

撰文/薩普拉克格魯(Yasemin Saplakoglu)
翻譯/林慧珍


基因剪輯工具CRISPR因功能強大而聞名,但它其實源自細菌用於對抗病毒的防禦機制。科學家受到此微妙自然系統啟發,現在又創造了另一項科學應用:微型「錄音機」,在細菌DNA上記錄生物訊號。


研究人員認為,這種細菌錄音機最終可用於檢測身體功能(例如消化)的異常跡象,也可測量海洋中的污染物濃度,或是檢測土壤中的養份變化。它的運作原理大致類似許多細菌和其他單細胞生物體內既有的CRISPR系統,只是偵測的訊號不一樣。


CRISPR是一段DNA序列,留存了曾經感染細菌的病毒基因記錄,並且在這種病毒試圖再次感染該細菌或其後代時發出命令、殺死病毒。目前的CRISPR系統記憶病毒DNA,而新的應用則可以追蹤各種生化訊號,例如細菌錄音機如果在人類腸道中偵測到岩藻糖(fucose),就表示身體遭受感染。


細菌一旦偵測到特定訊號,便會製造許多份所謂的觸發DNA(trigger DNA),並記錄在其基因「錄音帶」的一端;即使該特定訊號消失,錄音帶仍然會持續錄音,把出沒於細胞之中的其他DNA片段都一併記錄為「背景音」,而這些背景訊號便是該次錄音記錄的時間戳記。美國哥倫比亞大學的研究人員把這項發現發表於去年12月的《科學》期刊。


研究人員認為,把數百萬個配備多份錄音工具的細菌部署在人體或其他環境中,可讓它們自動記錄環境中的訊號,然後再從糞便或土壤樣本中回收以讀取訊號。與大多數先前的生物記憶系統不一樣的是,這個系統完全在細菌的控制之下運作。


史丹佛大學的合成生物學家恩迪(Drew Endy)並沒有參與這項研究,他評論:「這項DNA工具能自行記錄環境的變化,而之前的研究比較像有人拉著木偶的線、操縱DNA記錄訊號。」


雖然這項技術僅止於實驗室測試階段,但研究團隊證明它可以在大腸桿菌細胞群中連續三天持續記錄三種不同的訊號。


恩迪說,細菌的記錄能力會隨著時間逐漸下降,可能是只當做錄音機並不能對細胞的生存帶來任何好處。他進一步指出,生物訊號必須留存六小時以上才能被這種工具如實記錄下來,所需時間也許太長而無法用來檢測短暫訊號。參與該研究的資深研究員、哥倫比亞大學合成生物學家王(Harris Wang)希望,未來的研究能夠加速這方面的進展。


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