[发明专利]一种可擦除并重写的活细胞传感记录系统及其应用

说明书

本发明涉及合成生物学及生物医药领域，一种可擦除并重写的活细胞传感记录系统及其应用，通过响应环境刺激，产生即时信号与长期信号，根据需要擦除并重写记录的活细胞传感记录系统；所述环境刺激包括环境污染物、小分子化合物和/或疾病标志物；所述即时信号包括荧光蛋白、色素蛋白、显色酶和/或超声气体囊泡；所述长期信号以DNA为记录载体，包括基因组DNA或质粒DNA；所述活细胞为移植有响应环境刺激的生物传感电路，记录元件，报告元件，记录载体的活体细菌。此方法具有扩展到能够在难以接近的环境中执行复杂任务的多功能化生物传感记录系统的巨大潜力。

技术领域

本发明涉及合成生物学及生物医药领域，具体涉及活细胞传感记录系统及其应用。

背景技术

由于具有耐久性，低成本，环境友好性的特点，活细胞传感器已经被设计并应用于疾病生理标志物，重金属污染物以及其他重要化合物甚至是核酸的检测。传统的活细胞传感器依赖于荧光，显色或发光等报告分子。这些分子的检测需要难以携带的特定检测器进行连续操作。然而，人们感兴趣的许多重要分子事件是稍纵即逝且难以接近的，检测装置的不便利性使得传统的活细胞传感器难以在原始环境中对分子事件进行长期连续的监测和研究。近来，基于DNA写入技术的活细胞传感记录器被创建以捕获瞬时信号，这种新型的活细胞传感器能够将外界刺激记录到细胞群体或个体细胞的DNA中，即使在原信号消失后也能够通过测序技术或蛋白质功能测定等手段方便的获取原始信息。活细胞传感记录器的出现和发展使瞬时分子信息的长期监测成为了可能。早先的工作表明基于重组酶的存储装置能够在活细胞中存储数字信息。然而，这些装置通常需要至少几百个碱基对的特定重组酶识别位点以反转靶DNA，且单向重组酶只能反转一次。因此，这种类型的存储器的可扩展性进一步受到正交重组酶的数量的限制。CRISPR-Cas系统是细菌和古细菌在进化过程中形成的一种适应性免疫防御系统，用来对抗噬菌体及其他外源核酸的入侵。近来，基于CRISPR-Cas系统的DNA写入技术被开发并被用作活细胞传感记录器。例如，基于Cas9的记录器用于细胞谱系追踪、哺乳动物细胞异种移植的炎症模型以及强力霉素与IPTG等外源刺激的记录。基于碱基编辑器的记录装置记录病毒、营养物质、抗生素和光照等刺激以及在活细胞中进行生物计算。基于Cas1-Cas2的活细菌传感记录器记录外源信号，如DNA及RNA片段等。

合成生物学与生物医学的快速发展，对活细胞传感记录器的设计和应用提出了更高的要求。一方面，设计并构建能够根据需要人为擦除和重写记录的生物逻辑电路将提高活细胞传感记录器的工作效率及使用寿命，尤其是应用于哺乳动物肠道或其他难以接近和操作的生物学环境中。另一方面，利用基因表达干扰，基因表达激活，基因敲除等策略对活细胞传感记录器进行多功能化设计，例如对外界刺激的即时报告，长期记录以及其他重要的生物学功能(药物释放，生物防护等)是活细胞传感记录器应用于复杂合成生物学、分析化学以及生物医学的基础。因此，尽管DNA写入技术有了巨大的进步，但是，发展多功能化的，持久的和高度可复用的活细胞记录器仍然是生命科学的一大挑战。

发明内容

针对现有活细胞传感记录器功能单一且难以便捷精确重写的不足，本发明设计并构建了一种可擦除并重写的活细胞传感记录系统，通过响应环境刺激，产生即时信号与长期信号，根据需要擦除并重写记录的活细胞传感记录系统；

所述环境刺激包括但不局限于环境污染物、小分子化合物和/或疾病标志物；

所述即时信号包括但不局限于荧光蛋白、色素蛋白、显色酶和/或超声气体囊泡；所述长期信号以DNA为记录载体，包括但不局限于基因组DNA或质粒DNA；

所述活细胞为移植有响应环境刺激的生物传感电路，记录元件，报告元件，记录载体的活体细菌。

进一步的，所述环境污染物是亚砷酸盐。

进一步的，所述小分子化合物是如阿拉伯糖。

进一步的，所述疾病标志物是肠道炎症标志物硫代硫酸盐或连四硫酸盐。