美國黑科技：可用DNA進行3D打印的技術

寂靜天花板

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計和組裝它們？這些難不住萬能的科學家。來自麻省理工學院（MIT）的一項新研究使得人們也可以用DNA設計、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。
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" g6 q1 W8 c6 T# O& A1 h研究人員們稱，這些結(jié)構可以用于輸送藥物、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計，比如，僅僅讓DNA鏈組成一個十二面體就是一個極其復雜的任務，幾乎沒有人有經(jīng)驗能夠手工組裝如此復雜的分子，這些分子往往由數(shù)以千計的堿基對組成。
8 R! D8 R& @! \$ i而這正是來自麻省理工學院、亞利桑那州立大學（Arizona State University）和Baylor大學的科學家們所要解決的。他們的這項成果已經(jīng)被發(fā)表在了5月25日的《科學（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。
& k% }' U! n; n/ j" A1 R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)構的DNA折紙序列設計算法）
下面就是科學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）：
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這種方法在醫(yī)學和基因編輯方面的用途是顯而易見，但是研究人員們認為該技術的用途將大大超越上述領域。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？
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漁家郎

提起MIT的年輕華裔科學家，大家可能對CRISPR領域的張鋒比較熟悉。今天，小編要介紹的卻是另外一位“80后”大牛，學術背景橫跨電氣工程、計算機科學、合成生物學以及醫(yī)學等多個領域的盧冠達博士。近日，他帶領的研究小組在Science發(fā)表了最新研究成果：利用CRISPR技術，首次開發(fā)出了人體細胞DNA“錄音機”。
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, x$ Q: E+ n1 E7 ]+ `8 M  {/ UTimothy K. Lu博士（圖片來源MIT）
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8月18日，盧冠達博士發(fā)表的這項新成果聲稱，其研究小組開發(fā)出一種記錄人類細胞DNA復雜歷史的方法。據(jù)悉，這是首個可以記錄人類細胞中事件持續(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領域非常熱門的基因編輯系統(tǒng)CRISPR/Cas9。
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近幾年，除盧冠達博士外，一些其他研究人員也曾設計出一些方法用于記錄細菌細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胞中做到這一點。就在上周，這一領域終于迎來了新的進展。

6 U: z( G! D: s事實上，早在2014年11月14日，盧冠達（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，記錄細菌細胞幾個星期的生活史，描述活細胞各種各樣的記憶。
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特殊設計

據(jù)介紹，以往利用CRISPR技術編輯基因時，研究人員需要創(chuàng)建一個與靶序列相匹配的RNA向?qū)ф?。為了編碼記憶，盧冠達博士的研究小組采用了不同的方法：他們設計的向?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）。
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0 I1 P& u: C  T, \) A+ a由于大部分的突變會導致DNA序列的部分缺失，研究人員設計的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，他們還設計了70個核苷酸的序列，可更長時間的記錄生物學信號。

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5 \) L  k4 B+ m" H, @/ K) h1 P, ^在這種自我靶向向?qū)NA的引導下，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，這種突變就會不斷積累。
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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。每當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。

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, A5 I# l5 _, w2 ~8 u2 b1 t在這一研究上，科學家們還證實，該系統(tǒng)能夠記錄小鼠體內(nèi)的炎癥反應。研究人員表示，目前這一方法最有可能用于研究人類細胞、組織或工程器官。通過記錄細胞中發(fā)生的事件，科學家們可以監(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)育為成體過程中細胞特異性分化為不同組織的過程。
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: t1 \" K$ F2 K! C* m照片來源：The-scientist

1 z0 J7 x, t+ p( e" S1 w80后“大牛”的跨界傳奇史

作為一名新生代學者，盧冠達博士（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)始人楊致遠以及美國科學院院士莊小威等。

1 i5 y' X) O/ V: ?+ A. S盧冠達的童年一半在美國度過，一半在臺灣度過。年僅35歲的他在學術方面經(jīng)歷非常多樣，橫跨電氣工程、計算機科學、合成生物學和醫(yī)學多個領域。MIT電子學研究實驗室的主任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">6 `& x+ y/ c% n+ L/ i4 n' e: N  B2 E

) S& A' F# t' O在本科和碩士階段，盧冠達在MIT學習了電氣工程和計算機科學。但是，他發(fā)現(xiàn)，這些領域的大問題都已經(jīng)被解決了。與此同時，2003年左右，合成生物學正式興起，Lu希望能夠加入這一領域。因此，攻讀博士時，他加入了波士頓大學合成生物學家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。
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除了橫跨上述3個學科，盧冠達還在哈佛大學取得了醫(yī)學博士學位。他說：“我對改造細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?！?font class="jammer">; C& `+ E8 C) j' f& E

2010年，MIT聘請盧冠達作為醫(yī)學院的教員。自那時起，他的實驗室致力于研究一系列合成生物學領域的難題?？股啬退幮詥栴}是盧冠達博士非常感興趣的領域之一。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。
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Fink說：“盧冠達是合成生物學領域的一位思想領袖。他的科學創(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術和商業(yè)上取得了成功?！?font class="jammer">8 Z% _! m2 v* X3 ^, [, M! K

$ @4 o6 s2 H/ r! N; {+ V近年來，盧冠達博士帶領的研究小組相繼在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，他將合成生物學與基因編輯技術進行了完美的融合。

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，探討了如何活細胞中利用CRISPR技術構建工程合成基因回路。[文獻]