細菌或許沒有大腦，但它們確實有記憶，至少在涉及攻擊它們的病毒時是如此。許多細菌都擁有一種分子免疫系統，使得這些微生物能夠捕獲和保留過去遭遇到的一些病毒DNA片段，以便當其再度出現時可以識別和破壞它。

來自洛克菲勒大學的一項研究在2月18日的《自然》（Nature）雜志上，提供了這一系統發揮作用在微生物基因組中編碼病毒DNA，將其日后用作為病毒切割酶的指南，這一神秘過程的一些新見解。

細菌學實驗室負責人、助理教授Luciano Marraffini說：“像脊椎動物一樣，微生物擁有能夠適應新威脅的免疫系統。這些系統使用的一種酶Cas9，利用了免疫記憶來引導切割病毒遺傳密碼。然而，人們對于最初獲得這些記憶的機制卻知之甚少。我們的研究表明，Cas9還操控了某些細菌中這些記憶的形成。”

這些記憶嵌入在能夠將有益和有害病毒識別開來，稱作為CRISPR（規律成簇的間隔短回文重復）系統的細菌適應性免疫系統中。它通過改變細菌基因組，將一些稱作為間隔序列（spacers）的短病毒序列添加到重復DNA序列之間來發揮作用。這些間隔序列形成了有關過去入侵物的一些記憶。它們充當CRISPR相關基因編碼酶(Cas)的向導，使得Cas能夠找到并破壞試圖再次感染細菌的相同病毒。

Cas9能夠在病毒或其他的基因組中實現精確切割這一能力引起了研究人員的注意?，F在研究人員利用它來改變細胞的遺傳學以達到某些實驗或治療目的，但對于這一CRISPR系統在天然細菌中發揮作用的機制仍不是很清楚。

一些證據表明，某些Cas酶（未包括Cas9）自身可以操控記憶形成過程。基于Cas9識別切割位點的方式，包括共同第一作者、研究生Robert Heler以及實驗室博士后Poulami Samai在內的研究人員猜測Cas9在記憶形成中也發揮了作用。

除了匹配CRISPR引導序列和病毒DNA，Cas9需要在附近尋找第二信號：病毒DNA中的前間區序列鄰近基序( protospacer adjacent motif，PAM)序列。這是一個至關重要的步驟，因為PAM序列的存在阻止了Cas9攻擊細菌自身包含記憶的DNA。

Heler 說：“由于Cas9必須識別出PAM序列才會切割病毒DNA，在這一系統形成首次遭遇病毒的記憶時Cas9也就識別PAM序列對于我們來說很有意義。這是Cas9的一個意料之外的全新作用。”

為了檢驗他們的假說，Heler交換了化膿鏈球菌和嗜熱鏈球菌免疫系統的Cas9酶，它們各自識別不同的PAM序列。結果，PAM序列跟隨著在兩種細菌之間發生了交換——表明在記憶形成中Cas9負責了PAM的識別。在另一個試驗中，他改變了Cas9結合PAM序列的部分，發現這些微生物開始隨機獲得靶病毒序列,這使得它們變得不可用。

與此同時，Samai調查了Cas9與其他3種Cas酶：Cas1、Cas2和Csn2之間的關系。作為相同CRISPR系統的組件，研究人員懷疑這些酶在沒有Cas9幫助的情況下在記憶形成中發揮了作用。

Samai讓這些酶共同表達，隨后標記每一個酶，并嘗試提純它。但每一次其他三種酶也一同出現。“這表明4種酶之間存在某種互作；最有可能的是它們在記憶獲取過程中形成了復合物，”她說。

“由于Cas9具有靶向和切割病毒基因組的功能，它對生物技術非常重要，已吸引了人們極大的興趣。我們的研究工作揭示出了Cas9一個遭到忽視的作用：形成了使得細菌適應性免疫成為可能的記憶，”Marraffini說。