我們是否能夠對活細胞進行重編程以便讓它們做我們想要它們在體內做的事情呢？執行這樣的控制---合成生物學的一個主要目標---可能允許開發基于細胞的療法以便可能有朝一日替換用于治療疾病（如癌癥）的傳統藥物。然而，為了實現這個長期目標，科學家們必須首先學著對細胞做的很多關鍵事情（如細胞彼此之間通信）進行編程，改變它們變成一種特定細胞類型的命運，以及記住它們遇到的化學信號。
如今，在一項新的研究中，來自美國加州理工學院的Michael Elowitz、Lacramioara Bintu、John Yong、Yaron E. Antebi、Kayla McCue和來自日本鳥取大學的Yasuhiro Kazuki、Narumi Uno、Mitsuo Oshimura在能夠利用細胞自然進化出的工具對細胞記憶進行編程的目標上邁出了重要一步。通過將合成生物學方法與追蹤單個細胞行為的延時拍攝影片（time-lapse movies）技術結合起來，他們確定了一類被稱作染色質調節物（chromatin regulator）的蛋白中的4個成員如何建立和控制細胞維持一種特定基因表達狀態的能力，并且記住它，即便建立這種狀態的信號已消失，也是如此。相關研究結果近期發表在Science期刊上，論文標題為“Dynamics of epigenetic regulation at the single-cell level”。這些染色質調節物能夠對DNA進行表觀遺傳修飾。
加州理工學院生物學與生物工程教授、霍華德-休斯醫學研究所（HHMI）研究員Elowitz說，“我們選擇幾種最為重要的染色質調節物進行測試以便理解它們不僅在自然條件下如何被使用，而且每種提供什么特殊的技能。我們正在研究它們以便找出我們能夠讓它們為我們做什么。”
動物細胞不是依賴于單個蛋白對基因表達的“所有記憶（即表觀遺傳修飾）”進行編程，而是使用上百個不同的染色質調節物。這些蛋白中的每種基本上做相同的事情---它們修飾DNA片段從而改變基因表達。這就提出一個問題，為什么細胞需要全部的這些不同的染色質調節物？要么這個體系中存在大量的冗余，要么每個染色質調節物確實做獨特的事情。如果是后者的話，那么合成生物學家將想要知道如何最好地使用這些調節物作為工具---如何選擇理想的調節物實現某種影響或者說一種特定類型的細胞記憶。
為了尋找答案，研究人員尋求一種被Elowitz稱之為“先構建再理解（build to understand）”的方法。研究人員并沒有一開始就著手研究一種復雜過程以便試圖找出它的每個步驟，相反，他們從頭開始在細胞中構建目標生物系統，從而有機會觀察當他們引入每種變化時實際會發生什么。
就這項研究而言，這意味著將不同的染色質調節物---4種基因沉默蛋白---結合到DNA的一個特定片段上，并觀察每種采取什么行為。為此，研究人員對細胞進行改造：加入一種小分子，這會導致這4種基因沉默調節物中的一種調節物結合到編碼一種熒光蛋白的特定基因附近的DNA上。通過追蹤單個細胞中的熒光，研究人員能夠輕松地確定這種調節物如何關閉該基因。研究人員也能夠讓這種調節物從DNA上釋放出來，并觀察該基因如何長時間地記憶這種調節物帶來的影響。
盡管存在上百種染色質調節物，但是它們能夠被歸類為大約12種較大的類別。就這項研究而言，研究人員測試了來自4種生物化學性質不同的類別中的調節物。
Bintu說，“我們測試了多種調節物以便觀察不同的調節物是否產生不同類型的行為。事實確實如此。”
在一個月時間內，研究人員使用顯微鏡或流式細胞儀觀察這些活細胞，并利用他們編寫的細胞追蹤軟件和延時拍攝影片觀察單個細胞生長和分裂。在某些情形下，當一種調節物被釋放出來后，這些細胞和它們的子細胞保持黑暗好幾天，然后產生明亮的熒光，這就表明它們短暫地記住染色質調節物所導致的表觀遺傳修飾。在其他情形下，這些細胞從沒有產生明亮的熒光，這指示著更為永久的記憶。
在表觀遺傳修飾之后，這些基因總是處于三種狀態中的一種：“醒著”，活躍地制造蛋白；“睡著”，不活躍，但能夠在幾天內醒過來；“陷入昏迷”，不能夠在30天內醒過來。在單個細胞內，這些基因總是要么完全開啟，要么完全關閉。
這就導致研究人員獲得令人吃驚的發現：這些調節物并不控制單個細胞中一個特定基因的表達水平或程度，而是控制一個群體中有多少細胞啟動或關閉這個基因。
Elowitz說，“人們可控制某種事情開始或關閉的概率。我們認為這在多細胞有機體中通常是非常有用的東西---在很多情形下，這種有機體可能想要告訴細胞，‘我僅僅想要你們當中的30%出現差異。你們不需要全部都這樣做。’這種染色質調節系統似乎為類似這些的命令作好準備。”
此外，研究人員發現這4種染色質調節物中的每種調節物給予的記憶類型是不同的。一種調節物產生永久的記憶，關閉這個基因，讓一部分細胞在整整30天內處于昏迷狀態。一種調節物產生短期記憶，這樣一部分細胞將很快醒過來。Bintu說，“我們發現真正有趣的事情是其中的一些調節物產生一種混合記憶：細胞當中的一部分醒著，同時還有一部分處于深度昏迷狀態。有多少細胞處于昏迷狀態取決于多長時間施加這種信號，即一種染色質調節物多長時間結合到DNA上。”
接下來，研究人員計劃以同樣的方式研究其他的染色質調節物，以便更好地理解它們在細胞中有多種方式被使用，以及它們可能如何一起合作發揮作用。更長期而言，他們想要將這些蛋白與其他的細胞組分放在一起，以及開始對合成回路（synthetic circuit）中更加復雜的發育行為進行編程。
Elowitz說，“這是朝實現這個新出現的可編程細胞療法的愿景邁出了一步。但是我們也正在解答更多的基礎研究問題。我們將這些視為同一塊硬幣的兩面。我們只有理解它們的核心途徑提供什么樣的功能，我們才能夠有效地對細胞進行編程。”
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