[发明专利]分子状态机

说明书

通过设计细胞以使用特异性同源定向修复(“HDR”)模板，基于细胞的当前“状态”修复多核苷酸中的双链断裂，在细胞中实施分子状态机。可以通过细胞中分子的存在或通过细胞的多核苷酸中特定切割位点的可用性来建立状态。可以使用不同的HDR模板或不同的核酸酶来基于状态执行HDR。当状态改变时，相同的信号或事件将导致将不同的HDR模板引入细胞的现有多核苷酸中。可以使用细胞内部或外部的信号改变细胞的状态。细胞可以基于状态产生分子事件的日志，存储二进制数据，或执行其他合成生物学/分子计算功能。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年7月1日提交的标题为“Storage Through Iterative DNAEditing”的美国临时专利申请序列号62/357,828，2016年9月23日提交的标题为“StorageThrough Iterative DNA Editing”的美国临时专利申请序列号62/399,190，2017年4月20日提交的标题为“Mechanisims for Molecular Event Logging”的美国临时申请序列号62/487,671，和2017年6月16日提交的标题为“Molecular State Machines”的美国专利申请序列号15/626,020的权益，其均通过引用整体明确并入本文。

背景技术

状态机提供可以在从自动售货机到计算机的机器中找到的行为的数学表示。状态机基于机器的当前状态响应于输入。因此，状态机的行为取决于接收到的输入和接收到该输入时机器的当前状态两者。合成生物学，分子计算，设计用于日志记录事件的生物系统，设计用于存储任意信息的生物系统(例如，存储在DNA中的数字数据)等都可以使用状态机。分子状态机可以在这些领域开辟新可能性。

发明内容

本发明内容是为了以简化形式介绍一些选择的概念而提供，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在确定要求保护的主题内容的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制要求保护的主题内容的范围。

本公开描述了可以表现为状态机的细胞和细胞系统。细胞可以通过HDR的过程将同源定向修复(HDR)模板插入DNA或RNA中的双链断裂(DSB)中来记录信息，包括当前状态。精确的基因编辑技术，例如CRISPR/Cas(规律间隔成簇短回文重复序列/CRISPR相关蛋白)系统和TALEN(转录激活因子样效应核酸酶)能够将HDR模板插入现有DNA或RNA中的特定位置。

细胞也可以由改变细胞对给定信号的响应的分子的存在设置成“状态”。分子可以外部施加到细胞上或响应于刺激(例如，温度，pH，光，化学物质等)在内部产生。一旦处于状态，细胞可以接收指示分子事件、要记录的二进制数字或由细胞以特定于当前状态的方式实施的其他任务的信号。另外，可以将细胞从一种状态改变为另一种状态。细胞的当前状态可以控制将哪种HDR模板整合到DNA或RNA中。因此，在细胞中产生的遗传记录可以受到使状态机的功能成为可能的状态的影响

附图说明

具体实施方式参照附图进行阐述。在附图中，附图标记的最左边的数字标识其中首次出现该附图标记的图。在不同图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。

图1显示用酶切割DNA并通过HDR在切割位点处插入多核苷酸序列的示意图。

图2显示切割图1的DNA并通过另外的HDR插入另外的多核苷酸序列的示意图。

图3显示用于将多核苷酸序列插入现有DNA中的细胞的示意性组件。

图4显示示意性状态机。

图5显示分子状态机中的示意性组件的示意图。

图6显示根据通过分子状态实施的情境依赖性编码在多核苷酸中记录二进制数字的示意性过程。

图7显示根据细胞状态改变将哪种HDR模板插入双链多核苷酸中的示意性过程。