Science突破：MIT「80後大牛」巧借CRISPR，首次發明人體細胞DNA「錄音機」！

早在2014年11月14日，盧冠達（Timothy K. Lu）博士曾在Science上發表過題為「Genomically encoded analog memory with precise in vivo DNA writing in living cell populations」的一篇論文。在這一研究中，他帶領的研究小組發明了一種DNA「錄音機」，可將DNA轉化為可讀的形式，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。

首個記錄人體細胞事件的DNA「錄音機」

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於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，這一領域迎來了新的進展。

上周，盧冠達博士在Science上發表了一項新成果，開發一種記錄人類細胞DNA複雜歷史的方法。據悉，這是首個可以記錄人類細胞中事件持續時間和/或強度的模擬記憶存儲系統。而這一研究中新方法藉助了目前生命科學領域非常熱門的基因編輯系統CRISPR/Cas9。

特殊設計

據介紹，以往利用CRISPR技術編輯基因時，研究人員需要創建一個與靶序列相匹配的RNA嚮導鏈。為了編碼記憶，盧冠達博士的研究小組採用了不同的方法：他們設計的嚮導鏈能夠識別編碼相同嚮導鏈的DNA，即自我靶向嚮導RNA（self-targeting guide RNA）。

由於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嚮導鏈長於通常的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。

作用機制

在這種自我靶向嚮導RNA的引導下，Cas9酶會切割編碼這一嚮導鏈的DNA，產生突變，從而成為這一事件的永久記錄。被編輯的DNA序列一旦突變後，會產生新的嚮導RNA鏈，指引Cas9作用於新突變的DNA。只要Cas9有活性或者自我靶向嚮導RNA依然表達，這種突變就會不斷積累。

通過調節Cas9或自我靶向嚮導RNA的活性，這一系統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迴路，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就會切割編碼嚮導序列的DNA，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。隨後，通過測序DNA，研究人員可以確定接觸的程度如何。

應用前景

在這一研究，科學家們還證實，該系統能夠記錄小鼠體內的炎症反應。研究人員表示，目前這一方法最有可能用於研究人類細胞、組織或工程器官。通過記錄細胞中發生的事件，科學家們可以監測炎症、感染或癌症的進展。它還有可能用於研究動物從胚胎髮育為成體過程中細胞特異性分化為不同組織的過程。

照片來源：The-scientist

80後「大牛」的跨界傳奇史

該研究通訊作者盧冠達博士（Timothy K. Lu）曾在2010年入選MIT Technology Review評出的「35 Innovators Under 35」榜單。這一評選始於1999年，曾經的入選者包括Facebook的創始人Mark Zuckerberg、Linux之父Linus Torvards、Yahoo創始人楊致遠以及美國科學院院士庄小威等。

盧冠達的童年一半在美國度過，一半在台灣度過。年僅35歲的他在學術方面經歷非常多樣，橫跨電氣工程、計算機科學、合成生物學和醫學多個領域。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。」

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，他發現，這些領域的大問題都已經被解決了。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，他開發了能夠分解生物膜的工程噬菌體。2009年，他與兩名研究生聯合創辦了一家生物技術公司。公司現名為Sample6，致力於利用定製的噬菌體檢測食品污染。

除了橫跨上述3個學科，盧冠達還在哈佛大學取得了醫學博士學位。他說：「我對改造細胞來治療疾病非常感興趣，但是我並不了解在臨床中面對的真正問題。」

2010年，MIT聘請盧冠達作為醫學院的教員。自那時起，他的實驗室致力於研究一系列合成生物學領域的難題。抗生素耐藥性問題是盧冠達博士非常感興趣的領域之一。2013年，他創辦了另一家名為Synlogic的公司，致力於檢測工程菌治療感染的能力。

Fink說：「盧冠達是合成生物學領域的一位思想領袖。他的科學創造力、對感興趣問題的追求，以及與他人協作的能力幫助他在學術和商業上取得了成功。」

頂級期刊連續發文，CRISPR領域成果不斷

今年6月，他在Cell子刊Trends in Biotechnology雜誌上發表了題為「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迴路。[文獻]

以下是盧冠達博士近期發表的部分研究成果：

1.Synthetic biology and microbioreactor platforms for programmable production of biologics at the point-of-care. Nature Communications（2016年7月29日）

2.Synthetic recombinase-based state machines in living cells. Science(2016年7月22日)

3.Multiplexed barcoded CRISPR-Cas9 screening enabled by CombiGEM .PNAS（2016年3月1日）

4. Putting Non-coding RNA on Display with CRISPR . Molecular Cell.（2015年7月16日）

5.Massively parallel high-order combinatorial genetics in human cells. Nature Biotechnology(2015年8月17日)

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