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標(biāo)題: 美國黑科技：可用DNA進行3D打印的技術(shù) [打印本頁]

作者: 寂靜天花板 時間: 2016-8-23 19:38
標(biāo)題: 美國黑科技：可用DNA進行3D打印的技術(shù)
如果你想要3D打印幾英寸高的東西，可擠出的塑料是比較好的介質(zhì)。但是當(dāng)您需要在納米尺度下的某個對象的話，DNA就是一個更好的選擇——但是，誰有這個功夫一個堿基一個堿基地去設(shè)計和組裝它們？這些難不住萬能的科學(xué)家。來自麻省理工學(xué)院（MIT）的一項新研究使得人們也可以用DNA設(shè)計、組成需要的形狀——其中的奧秘在于通過一個巧妙地算法來確定DNA中A、T、G和C堿基對的位置。與人們通常的印象不同的是，DNA的結(jié)構(gòu)其實并不一定非得是雙螺旋的：通過改變堿基的排列順序或代之以其他分子，科學(xué)家們可以使DNA鏈扭向指定的方向，或者圍繞著某個方向纏繞——如果經(jīng)過周密的設(shè)計，人們甚至可以讓一個DNA單鏈進行足夠的彎曲和纏繞，從而形成一個有用的幾何結(jié)構(gòu)。

研究人員們稱，這些結(jié)構(gòu)可以用于輸送藥物、制造像CRISPR Cas9基因編輯元素這樣的封裝工具，甚至可以存儲信息。但是，其中最大的問題在于如何設(shè)計，比如，僅僅讓DNA鏈組成一個十二面體就是一個極其復(fù)雜的任務(wù)，幾乎沒有人有經(jīng)驗?zāi)軌蚴止そM裝如此復(fù)雜的分子，這些分子往往由數(shù)以千計的堿基對組成。
而這正是來自麻省理工學(xué)院、亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）和Baylor大學(xué)的科學(xué)家們所要解決的。他們的這項成果已經(jīng)被發(fā)表在了5月25日的《科學(xué)（Science）》雜志上。來自MIT的Mark Bathe在一份新聞稿中說：“這份論文將問題從一位專家自己設(shè)計合成對象所需要的DNA，轉(zhuǎn)變成了該對象本身就成了起點，然后根據(jù)該算法自動定義所需要的DNA序列。”
這番話說得十分拗口，但是實際上，您所需要做的只是提供帶封閉曲面的3D形狀（比如多面體、圓環(huán)等），然后將其輸入計算機，并規(guī)定好規(guī)格范圍，您的工作就完成了。
在此之后，由研究人員們創(chuàng)建的這個算法將確定所需要的堿基的具體順序，這就提供了一個“腳手架”，然后一個DNA單鏈將圍繞著它進行彎曲和纏繞，形成所需的形狀。這個算法甚至有一個很酷的名字——DAEDALUS（用戶定義結(jié)構(gòu)的DNA折紙序列設(shè)計算法）
下面就是科學(xué)家使用這種方法制造的各種迷人的DNA形狀（這些照片是用3D單粒子低溫電子顯微鏡拍攝的）：

這種方法在醫(yī)學(xué)和基因編輯方面的用途是顯而易見，但是研究人員們認(rèn)為該技術(shù)的用途將大大超越上述領(lǐng)域。比如，DNA存儲就一下子變成了現(xiàn)實，人們可以使用這種算法創(chuàng)建出一種非常獨特的結(jié)果并將其用于二進制數(shù)據(jù)的編碼——也就是一個DNA納米級ROM磁盤，酷不酷？

作者: 漁家郎 時間: 2016-8-24 08:52
提起MIT的年輕華裔科學(xué)家，大家可能對CRISPR領(lǐng)域的張鋒比較熟悉。今天，小編要介紹的卻是另外一位“80后”大牛，學(xué)術(shù)背景橫跨電氣工程、計算機科學(xué)、合成生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域的盧冠達(dá)博士。近日，他帶領(lǐng)的研究小組在Science發(fā)表了最新研究成果：利用CRISPR技術(shù)，首次開發(fā)出了人體細(xì)胞DNA“錄音機”。

Timothy K. Lu博士（圖片來源MIT）

8月18日，盧冠達(dá)博士發(fā)表的這項新成果聲稱，其研究小組開發(fā)出一種記錄人類細(xì)胞DNA復(fù)雜歷史的方法。據(jù)悉，這是首個可以記錄人類細(xì)胞中事件持續(xù)時間和/或強度的模擬記憶存儲系統(tǒng)。而這一研究中的新方法借助了目前生命科學(xué)領(lǐng)域非常熱門的基因編輯系統(tǒng)CRISPR/Cas9。

近幾年，除盧冠達(dá)博士外，一些其他研究人員也曾設(shè)計出一些方法用于記錄細(xì)菌細(xì)胞中的這種模擬信息。但值得注意的是，此前，一直沒有人在人類細(xì)胞中做到這一點。就在上周，這一領(lǐng)域終于迎來了新的進展。

事實上，早在2014年11月14日，盧冠達(dá)（Timothy K. Lu）博士就曾在Science上發(fā)表過一篇題為“Genomically encoded analog memory with precise in vivo DNA writing in living cell populations”的論文。在這一研究中，他帶領(lǐng)的研究小組發(fā)明了一種DNA“錄音機”，可將DNA轉(zhuǎn)化為可讀的形式，記錄細(xì)菌細(xì)胞幾個星期的生活史，描述活細(xì)胞各種各樣的記憶。

特殊設(shè)計

據(jù)介紹，以往利用CRISPR技術(shù)編輯基因時，研究人員需要創(chuàng)建一個與靶序列相匹配的RNA向?qū)ф湣榱司幋a記憶，盧冠達(dá)博士的研究小組采用了不同的方法：他們設(shè)計的向?qū)ф溎軌蜃R別編碼相同向?qū)ф湹腄NA，即自我靶向向?qū)NA（self-targeting guide RNA）。

由于大部分的突變會導(dǎo)致DNA序列的部分缺失，研究人員設(shè)計的RNA向?qū)ф滈L于通常的20個核苷酸。研究顯示，40個核苷酸的序列足夠記錄一個月。此外，他們還設(shè)計了70個核苷酸的序列，可更長時間的記錄生物學(xué)信號。

作用機制

在這種自我靶向向?qū)NA的引導(dǎo)下，Cas9酶會切割編碼這一向?qū)ф湹腄NA，產(chǎn)生突變，從而成為這一事件的永久記錄。被編輯的DNA序列一旦突變后，會產(chǎn)生新的向?qū)NA鏈，指引Cas9作用于新突變的DNA。只要Cas9有活性或者自我靶向向?qū)NA依然表達(dá)，這種突變就會不斷積累。

通過調(diào)節(jié)Cas9或自我靶向向?qū)NA的活性，這一系統(tǒng)能夠提供基因組編碼記憶。舉例來說，研究人員可以設(shè)計一種特定基因回路，只有在靶分子（如TNF-α）存在時，Cas9才會表達(dá)。每當(dāng)TNF-α存在時，Cas9就會切割編碼向?qū)蛄械腄NA，生成突變。接觸TNF-α的時間越長或TNF-α的濃度越高，DNA序列中累積的突變就越多。隨后，通過測序DNA，研究人員可以確定接觸的程度如何。

應(yīng)用前景

在這一研究上，科學(xué)家們還證實，該系統(tǒng)能夠記錄小鼠體內(nèi)的炎癥反應(yīng)。研究人員表示，目前這一方法最有可能用于研究人類細(xì)胞、組織或工程器官。通過記錄細(xì)胞中發(fā)生的事件，科學(xué)家們可以監(jiān)測炎癥、感染或癌癥的進展。它還有可能用于研究動物從胚胎發(fā)育為成體過程中細(xì)胞特異性分化為不同組織的過程。

照片來源：The-scientist

80后“大?！钡目缃鐐髌媸?font class="jammer">1 g, H7 c8 b: @- |7 V7 I# K

作為一名新生代學(xué)者，盧冠達(dá)博士（Timothy K. Lu）曾在2010年入選MIT Technology Review評出的“35 Innovators Under 35”榜單。這一評選始于1999年，曾經(jīng)的入選者包括Facebook的創(chuàng)始人Mark Zuckerberg、Linux之父Linus Torvards、Yahoo創(chuàng)始人楊致遠(yuǎn)以及美國科學(xué)院院士莊小威等。

盧冠達(dá)的童年一半在美國度過，一半在臺灣度過。年僅35歲的他在學(xué)術(shù)方面經(jīng)歷非常多樣，橫跨電氣工程、計算機科學(xué)、合成生物學(xué)和醫(yī)學(xué)多個領(lǐng)域。MIT電子學(xué)研究實驗室的主任Yoel Fink說：“Lu擁有非常不尋常的背景，沒有多少人能夠做到像他這樣?！?font class="jammer">0 P% g- k# ]9 x2 {% ^ E

在本科和碩士階段，盧冠達(dá)在MIT學(xué)習(xí)了電氣工程和計算機科學(xué)。但是，他發(fā)現(xiàn)，這些領(lǐng)域的大問題都已經(jīng)被解決了。與此同時，2003年左右，合成生物學(xué)正式興起，Lu希望能夠加入這一領(lǐng)域。因此，攻讀博士時，他加入了波士頓大學(xué)合成生物學(xué)家Jim Collins的實驗室。

在那期間，他開發(fā)了能夠分解生物膜的工程噬菌體。2009年，他與兩名研究生聯(lián)合創(chuàng)辦了一家生物技術(shù)公司。公司現(xiàn)名為Sample6，致力于利用定制的噬菌體檢測食品污染。

除了橫跨上述3個學(xué)科，盧冠達(dá)還在哈佛大學(xué)取得了醫(yī)學(xué)博士學(xué)位。他說：“我對改造細(xì)胞來治療疾病非常感興趣，但是我并不了解在臨床中面對的真正問題?！?br />
2010年，MIT聘請盧冠達(dá)作為醫(yī)學(xué)院的教員。自那時起，他的實驗室致力于研究一系列合成生物學(xué)領(lǐng)域的難題?？股啬退幮詥栴}是盧冠達(dá)博士非常感興趣的領(lǐng)域之一。2013年，他創(chuàng)辦了另一家名為Synlogic的公司，致力于檢測工程菌治療感染的能力。

Fink說：“盧冠達(dá)是合成生物學(xué)領(lǐng)域的一位思想領(lǐng)袖。他的科學(xué)創(chuàng)造力、對感興趣問題的追求，以及與他人協(xié)作的能力幫助他在學(xué)術(shù)和商業(yè)上取得了成功?！?br />
近年來，盧冠達(dá)博士帶領(lǐng)的研究小組相繼在Cell、Nature Biotechnology、Science等頂級期刊上發(fā)表了多項重要的成果。值得注意的是，在一些研究成果中，他將合成生物學(xué)與基因編輯技術(shù)進行了完美的融合。

今年6月，他在Cell子刊Trends in Biotechnology雜志上發(fā)表了題為“Engineering Synthetic Gene Circuits in Living Cells with CRISPR Technology”的綜述文章，探討了如何活細(xì)胞中利用CRISPR技術(shù)構(gòu)建工程合成基因回路。[文獻]

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