CRISPR 魔剪化身“黑匣子”，最小摄录机未来可用于微环境监测

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想每时每刻知道身体里发生的故事，想仔仔细细了解环境中微生物的变化，却又无计可施？别着急，科学家们“黑”了大肠杆菌的免疫系统，帮我们做成了生物“黑盒子”——即 CRISPR“摄录机”。

图丨哥伦比亚大学学者借用 CRISPR 系统构建最小摄录机

近日，来自美国哥伦比亚大学（Columbia University）的研究团队借助 CRISPR-Cas 这种细菌中与生俱来的免疫系统，设计了一种可以记录微环境中环境、分子信号变化情况的“摄录机”，该系统至少可以同时记录三种信号，并可以多日连续工作，该研究的细节发表在 11 月 23 日的《科学》杂志上。

图丨 哥伦比亚大学医学中心合成生物学和病理及细胞生物学的助理教授 Harris Wang

当然这个系统的功能不仅限于此，通过对环境中不同化学物质变化的响应，这项技术可以在不破坏周围环境的情况下记录环境中不可见的变化，未来该系统很可能被应用于环境学和微生物学的基础研究中，对生态系统中的污染进行检测及分析。

那么“黑盒子”的核心究竟是什么？和我们知道的“魔剪”又有何关系呢？

当外源遗传物质入侵时，细菌中的 CRISPR-Cas 系统首先会将入侵的外源 DNA 信息整合到自身 CRISPR 序列中，当病毒再次入侵时，CRISPR-Cas 系统可对其进行识别并摧毁。

而正是基于这一功能，一代又一代的细菌基因组中记录了大量外源入侵病毒的 DNA 信息，这简直是天赐的礼物，而哥伦比亚大学的科学家们抓住了这个机会。

首先团队合成两种质粒，其中一种可以在特定的环境及信号下做出反应，并随之扩增，相当于指示物检测器；另一种则用来表达 CRISPR-Cas 系统的元件，定期将一段间隔序列拷贝到 CRISPR 位点上，为这个摄录系统提供一个时间轴。

当没有外界信号刺激时，CRISPR-Cas 系统中会不停的加入空白序列以记录时间，当特殊的代谢信号如铜、岩藻糖甚至是一些疾病指示物出现时，自我复制的质粒会被激活，进而使其相关序列插入 CRISPR 位点上，成为分子磁带内容的一部分。

质粒（plasmid）是细菌染色体外的遗传物质，存在于细胞质中，具有自主复制的能力，大部分的质粒都是闭合环状。

图丨该系统可连续多日记录多种信号

随后科研人员可以通过对细菌 CRISPR 位点的读取及计算研究，还原“时间轴”上发生的一切事件。“这种方法可以稳定的记录多天信息，并可以精准的重建时间和亲缘信息”研究人员介绍到，目前该系统至少可以同时记录三种信号。

未来，Wang 和他的团队将把注意力放在寻找不同状态下的指示物上，不仅仅是在肠胃系统或是疾病状态，也可能是微生物环境甚至是生态环境中。

无论如何，感谢 CRISPR-Cas 系统，让我们有机会安装生命的“黑匣子”，给生命多一层保障。