美国黑科技：可用DNA进行3D打印的技术

寂静天花板

如果你想要3D打印几英寸高的东西，可挤出的塑料是比较好的介质。但是当您需要在纳米尺度下的某个对象的话，DNA就是一个更好的选择——但是，谁有这个功夫一个碱基一个碱基地去设计和组装它们？这些难不住万能的科学家。来自麻省理工学院（MIT）的一项新研究使得人们也可以用DNA设计、组成需要的形状——其中的奥秘在于通过一个巧妙地算法来确定DNA中A、T、G和C碱基对的位置。 与人们通常的印象不同的是，DNA的结构其实并不一定非得是双螺旋的：通过改变碱基的排列顺序或代之以其他分子，科学家们可以使DNA链扭向指定的方向，或者围绕着某个方向缠绕——如果经过周密的设计，人们甚至可以让一个DNA单链进行足够的弯曲和缠绕，从而形成一个有用的几何结构。
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2 n# z$ ]8 H9 |2 c9 f# m研究人员们称，这些结构可以用于输送药物、制造像CRISPR Cas9基因编辑元素这样的封装工具，甚至可以存储信息。但是，其中最大的问题在于如何设计，比如，仅仅让DNA链组成一个十二面体就是一个极其复杂的任务，几乎没有人有经验能够手工组装如此复杂的分子，这些分子往往由数以千计的碱基对组成。
而这正是来自麻省理工学院、亚利桑那州立大学（Arizona State University）和Baylor大学的科学家们所要解决的。他们的这项成果已经被发表在了5月25日的《科学（Science）》杂志上。来自MIT的Mark Bathe在一份新闻稿中说：“这份论文将问题从一位专家自己设计合成对象所需要的DNA，转变成了该对象本身就成了起点，然后根据该算法自动定义所需要的DNA序列。”
这番话说得十分拗口，但是实际上，您所需要做的只是提供带封闭曲面的3D形状（比如多面体、圆环等），然后将其输入计算机，并规定好规格范围，您的工作就完成了。
在此之后，由研究人员们创建的这个算法将确定所需要的碱基的具体顺序，这就提供了一个“脚手架”，然后一个DNA单链将围绕着它进行弯曲和缠绕，形成所需的形状。这个算法甚至有一个很酷的名字——DAEDALUS（用户定义结构的DNA折纸序列设计算法）
下面就是科学家使用这种方法制造的各种迷人的DNA形状（这些照片是用3D单粒子低温电子显微镜拍摄的）：

9 t& u# I4 W& N) P4 `- J2 j8 x这种方法在医学和基因编辑方面的用途是显而易见，但是研究人员们认为该技术的用途将大大超越上述领域。比如，DNA存储就一下子变成了现实，人们可以使用这种算法创建出一种非常独特的结果并将其用于二进制数据的编码——也就是一个DNA纳米级ROM磁盘，酷不酷？

渔家郎

提起MIT的年轻华裔科学家，大家可能对CRISPR领域的张锋比较熟悉。今天，小编要介绍的却是另外一位“80后”大牛，学术背景横跨电气工程、计算机科学、合成生物学以及医学等多个领域的卢冠达博士。近日，他带领的研究小组在Science发表了最新研究成果：利用CRISPR技术，首次开发出了人体细胞DNA“录音机”。
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Timothy K. Lu博士（图片来源MIT）

8月18日，卢冠达博士发表的这项新成果声称，其研究小组开发出一种记录人类细胞DNA复杂历史的方法。据悉，这是首个可以记录人类细胞中事件持续时间和/或强度的模拟记忆存储系统。而这一研究中的新方法借助了目前生命科学领域非常热门的基因编辑系统CRISPR/Cas9。
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7 J5 b& X" {" M; C0 D& N" [2 Q近几年，除卢冠达博士外，一些其他研究人员也曾设计出一些方法用于记录细菌细胞中的这种模拟信息。但值得注意的是，此前，一直没有人在人类细胞中做到这一点。就在上周，这一领域终于迎来了新的进展。
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% L5 ^+ T" k5 ?, T7 ?& z, R5 F: y) t# o事实上，早在2014年11月14日，卢冠达（Timothy K. Lu）博士就曾在Science上发表过一篇题为“Genomically encoded analog memory with precise in vivo DNA writing in living cell populations”的论文。在这一研究中，他带领的研究小组发明了一种DNA“录音机”，可将DNA转化为可读的形式，记录细菌细胞几个星期的生活史，描述活细胞各种各样的记忆。

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7 p( [3 N; N8 P% d. z特殊设计
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据介绍，以往利用CRISPR技术编辑基因时，研究人员需要创建一个与靶序列相匹配的RNA向导链。为了编码记忆，卢冠达博士的研究小组采用了不同的方法：他们设计的向导链能够识别编码相同向导链的DNA，即自我靶向向导RNA（self-targeting guide RNA）。
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8 T2 ?0 u3 ^$ r- |) g由于大部分的突变会导致DNA序列的部分缺失，研究人员设计的RNA向导链长于通常的20个核苷酸。研究显示，40个核苷酸的序列足够记录一个月。此外，他们还设计了70个核苷酸的序列，可更长时间的记录生物学信号。

1 G9 a# w3 M) R6 a4 w; b2 y作用机制
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在这种自我靶向向导RNA的引导下，Cas9酶会切割编码这一向导链的DNA，产生突变，从而成为这一事件的永久记录。被编辑的DNA序列一旦突变后，会产生新的向导RNA链，指引Cas9作用于新突变的DNA。只要Cas9有活性或者自我靶向向导RNA依然表达，这种突变就会不断积累。

0 s" V) }# q) B8 h  T通过调节Cas9或自我靶向向导RNA的活性，这一系统能够提供基因组编码记忆。举例来说，研究人员可以设计一种特定基因回路，只有在靶分子（如TNF-α）存在时，Cas9才会表达。每当TNF-α存在时，Cas9就会切割编码向导序列的DNA，生成突变。接触TNF-α的时间越长或TNF-α的浓度越高，DNA序列中累积的突变就越多。随后，通过测序DNA，研究人员可以确定接触的程度如何。
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应用前景

. g% R( r+ F. D7 E6 x0 N在这一研究上，科学家们还证实，该系统能够记录小鼠体内的炎症反应。研究人员表示，目前这一方法最有可能用于研究人类细胞、组织或工程器官。通过记录细胞中发生的事件，科学家们可以监测炎症、感染或癌症的进展。它还有可能用于研究动物从胚胎发育为成体过程中细胞特异性分化为不同组织的过程。
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8 a/ M/ h* |; H1 n/ @照片来源：The-scientist

$ r0 o$ T3 O* D& ]2 ?80后“大牛”的跨界传奇史
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6 s7 ]& a. u1 s3 i2 D: N6 m作为一名新生代学者，卢冠达博士（Timothy K. Lu）曾在2010年入选MIT Technology Review评出的“35 Innovators Under 35”榜单。这一评选始于1999年，曾经的入选者包括Facebook的创始人Mark Zuckerberg、Linux之父Linus Torvards、Yahoo创始人杨致远以及美国科学院院士庄小威等。

% G. J; q" r9 V5 R# q5 V6 W卢冠达的童年一半在美国度过，一半在台湾度过。年仅35岁的他在学术方面经历非常多样，横跨电气工程、计算机科学、合成生物学和医学多个领域。MIT电子学研究实验室的主任Yoel Fink说：“Lu拥有非常不寻常的背景，没有多少人能够做到像他这样。”
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- ^' r- a: a) M. x) T% {在本科和硕士阶段，卢冠达在MIT学习了电气工程和计算机科学。但是，他发现，这些领域的大问题都已经被解决了。与此同时，2003年左右，合成生物学正式兴起，Lu希望能够加入这一领域。因此，攻读博士时，他加入了波士顿大学合成生物学家Jim Collins的实验室。
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- d* v3 V# k& N4 D, {6 {5 B5 I在那期间，他开发了能够分解生物膜的工程噬菌体。2009年，他与两名研究生联合创办了一家生物技术公司。公司现名为Sample6，致力于利用定制的噬菌体检测食品污染。

除了横跨上述3个学科，卢冠达还在哈佛大学取得了医学博士学位。他说：“我对改造细胞来治疗疾病非常感兴趣，但是我并不了解在临床中面对的真正问题。”

/ Z6 Z0 @. W. h2010年，MIT聘请卢冠达作为医学院的教员。自那时起，他的实验室致力于研究一系列合成生物学领域的难题。抗生素耐药性问题是卢冠达博士非常感兴趣的领域之一。2013年，他创办了另一家名为Synlogic的公司，致力于检测工程菌治疗感染的能力。

Fink说：“卢冠达是合成生物学领域的一位思想领袖。他的科学创造力、对感兴趣问题的追求，以及与他人协作的能力帮助他在学术和商业上取得了成功。”

近年来，卢冠达博士带领的研究小组相继在Cell、Nature Biotechnology、Science等顶级期刊上发表了多项重要的成果。值得注意的是，在一些研究成果中，他将合成生物学与基因编辑技术进行了完美的融合。

$ r+ ^/ k: S# R, t; I5 O, O今年6月，他在Cell子刊Trends in Biotechnology杂志上发表了题为“Engineering Synthetic Gene Circuits in Living Cells with CRISPR Technology”的综述文章，探讨了如何活细胞中利用CRISPR技术构建工程合成基因回路。[文献]