2014 年 11 月 14 日 , , ,

美國麻省理工學院 (MIT) 的工程師已嘗試成功利用「基因錄音機」技術,將大腸桿菌的基因組轉變為可以儲存長期記憶的媒介。透過覆寫 DNA 遺傳訊息的方式,這些特定的訊息將可透過細菌本身不斷繁殖的過程傳承下去,在醫學、環境科學與生物電腦等領域都有許多發展極具前景。

DNA 其實很像卡式錄音帶

MIT 資訊科學與生物工程助理教授盧冠達 (Timothy Lu)的研究團隊,將這項技術 SCRIBE 比喻為基因錄音機。什麼是錄音機?錄音機 (recorder) 與錄音帶(Compact Audio Cassette,又稱卡帶)是光碟片 (CD) 前一個世代的聲音與數據儲存裝置,大約自 1986 年後漸漸被 CD 取代。卡帶裡面是一條可錄 60 至 120 分鐘的超長磁帶,音樂與聲音依序轉錄在上面,並且可以不限次數清除資料或覆寫;現在仍有一些企業級資料儲存裝置「磁帶機」其原理也類似。由於 DNA 本身也是一條很長的分子結構,而盧冠達團隊的技術可以在 DNA 重覆讀寫,跟卡式錄音帶的運作方式類似。

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▲卡式錄音帶(圖片來源:Wikimedia Commons)

為了要將資料寫入 DNA,盧冠達的團隊首先透過生物工程讓細胞能夠生產一種重組酶,可以在裡面嵌入一段特定的單鏈 DNA 序列。透過特定分子或光線觸發後,將重組酶嵌入目標細胞中 DNA 的特定位置,就能讓重組酶中的訊息固定在目標 DNA 上。「我們之所以叫它基因錄音機,就是因為我們可以指定讓這些訊息儲存在基因組的哪個特定位置上。」盧冠達說。這些訊息將可透過大腸桿菌不斷繁殖的過程中,透過 DNA 複製一代一代傳承下去。

偵測疾病、製造平行電腦

要怎麼確認這段訊息確實傳承下去?這項研究採用的方法是賦予這段訊息產生抗生素抗藥性基因的能力,也就是說,當細胞對抗生素產生抗藥性時,就代表這段訊息存在。如果訊息是儲存在 DNA 中不具功能的區段時,則可以用基因定序的方式來確認它的存在。如此一來,研究者就可以知道透過這種方式,儲存的訊息可以持續存在多少個世代。

透過這幾種存取的方式,讓基因錄音機技術可以應用在醫學與環境科學等方面,例如將此類細菌放進人體消化道中,可以偵測一天吃進了多少糖份或脂肪,也可以拿來偵測大腸激躁症的發炎情形,或是將腦神經細胞取出培養,然後偵測其是否會有一些疾病的徵兆;將細菌散布到海洋,可以監測二氧化碳、酸度與污染物的含量;應用在「生物電腦」層面,眾多細胞等於就是許多「平行電腦處理器」的概念,盧冠達說,這種電腦的處理速度也許不快,但是具有節能的潛力。

那如果要把這段訊息刪除該怎麼做?同樣也是仿效卡式錄音機的做法,重新錄一段訊息覆寫上去即可。

Genomic Tape Recorder dna
(圖片來源:Christine Daniloff/MIT)

沒有參與研究的加州大學聖地牙哥分校助理教授 Shawn Douglas 對此評論道,比起一次處理一個細胞,盧冠達的技術可以加大訊息被儲存與取得的量,可以說是一顆類比硬碟一般。這項研究刊登在「科學」雜誌。

盧冠達的父親是台灣半導體協會理事長、鈺創科技董事長盧超群。盧冠達先前主要的研究主題是噬菌體,探討如何破壞細菌的外層保護性胞膜以達到殺菌目的,在細菌對抗生素產生抗藥性的危機之下,噬菌體的研究一直都是未來全面取代抗生素的幾個可行方案之一。

(首圖來源:Mojtaba Amin)

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呂維振

呂維振

主編 at 早安健康
媒體工作者,關注醫藥研發、尖端科技與數位娛樂。
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