Forskare har konverterat ett gäng mikrober till vad de har kallat "världens minsta bandspelare:" Genom att tänka på generna från en vanlig laboratoriestam avEscherichia coli bakterie, forskare säger att de har kunnat koaxera bakterierna till att inte bara logga in sina interaktioner med miljön utan också tidsstämpla dessa händelser.
Dessa små "bandspelare" - som detaljerades i en ny studie publicerad 23 november i tidskriften Science - kan hjälpa till att underbygga en ny klass av tekniker som använder bakterieceller för att diagnostisera sjukdomar eller övervaka förändringar i miljön, allt utan att störa deras omgivningar .
"Sådana bakterier som sväljs av en patient kan kanske kunna registrera de förändringar de upplever genom hela matsmältningskanalen, vilket ger en enastående bild av tidigare otillgängliga fenomen," författar författaren Harris Wang, biträdande professor vid institutionen för systembiologi vid Columbia University Medical Center, sade i ett uttalande.
Tekniken bakom bandspelarna är det populära genredigeringsverktyget, CRISPR. Verktyget, som gör det möjligt för forskare att i huvudsak ta bort sekvenser av DNA och ersätta det med specifikt genetiskt material, upptäcktes ursprungligen i bakterier. CRISPR är en del av immunsystemet för vissa bakterier - det kan kopiera utdrag av DNA från invaderande virus så att framtida generationer av bakterier kan känna igen och återuppställa efterföljande attacker.
"Systemet är en naturlig biologisk minnesenhet," sade Wang. "Ur ett teknikperspektiv är det faktiskt ganska trevligt, eftersom det redan är ett system som har utvecklats genom evolutionen för att vara riktigt bra på att lagra information."
Teamets mikroskopiska inspelare består av ett par genbärande strukturer kända som plasmider. Den första, en "timing" -plasmid, markerar tiden genom att uttrycka vissa DNA-molekyler, kallade nukleotider, i CRISPR-regionen i bakteriens DNA. Den andra plasmiden modifieras för att skapa fler kopior av sig själv, men endast som svar på en extern signal. Resultatet är ett lapptäcke av bakgrundsekvenser som registrerar tid och signalsekvenser som infogas som svar på förändringar i cellens miljö.
Om det låter komplicerat, tänk på det så här: Timingplasmiden skriver ut ett "A" med åtskilda tidsintervall. Om det inte finns någon "extern signal" skulle forskarna bara se den här strängen av A: er. Men om den andra plasmiden slås på av en extern signal, kommer den att sätta in sin stämpel i strängen på A: er. Baserat på var i den strängen den andra plasmidens stämpel dyker upp, kan forskarna härleda när den externa signalen ägde rum. I likhet med remsorna i ett magnetband kan forskare analysera detta ytterligare med hjälp av beräkningsverktyg.
I den nya studien visade forskarna att systemet kan spela in minst tre samtidiga signaler under flera dagar. Nästa steg är att minska målen.
"Nu planerar vi att titta på olika markörer som kan förändras under förändringar i naturliga eller sjukdomstillstånd, i mag-tarmsystemet eller någon annanstans," sa Wang.
