大肠杆菌DNA能做什么?存储全八季《权力的游戏》

元婕

元婕

· 2017.07.18

科学家们成功地将一段动画以DNA编码的形式存入了一群活的大肠杆菌中,并用高通量测序法重新读取数据,还原了图像。

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大肠杆菌DNA能做什么?存储全八季《权力的游戏》

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左为原始图像,右为从基因中提取的图像。图片来源/wired.com

左为原始图像,右为从基因中提取的图像。图片来源/wired.com

人类对大肠杆菌基因组的研究已足够充分,可以轻易编辑大肠杆菌的基因组为我们生产胰岛素、抗生素、生物燃料等。但此前,我们从来没有想过大肠杆菌的DNA还可以被作为硬盘使用。

哈佛大学遗传学家George Church和他的团队把这件事变成了现实。最近,他们的团队在顶级学术期刊《自然》中发表了研究文章。他们使用基因编辑系统CRISPR-CAS9将GIF动画图片植入活着的大肠杆菌基因组中。

在这项研究中,研究人员将图像中的单个像素转换为构建DNA的基本单元--核苷酸。他们将GIF图像以5帧的格式加载到活细菌中。
这幅图像,埃德沃德·迈布里奇拍摄的奔跑的马。这是电影史上一个经典的开端。

左为原始图像,右为细菌DNA还原的图像。该图是运动摄影的开创者埃德沃德·迈布里奇拍摄的奔跑的马,这是电影史上一个经典的开端。

这张GIF动态图只有五帧,每一帧为36x26的黑白像素,是一名骑手在飞驰的马上驰骋。

细菌经过多代的繁殖后,研究人员能够通过测序细菌的DNA来提取数据。通过读取像素核苷酸代码,科研人员可以获取90%图片信息来重构动态图片。

如果用DNA来存储信息的话,能够存储多少内容呢?基本上,我们电脑里全部的照片、音乐还有收藏的各国好剧都能被存储到一个肉眼都看不到的小分子上,还能有剩余的空间。

这样的存储方式还特别安全。DNA是一种紧凑且持久的存储信息的方式。如果在干燥且低温的环境中,DNA可以完好的保存数据至少10万年。一些几千甚至几十万年前的DNA仍然可以在实验室中提取和测序。

把DNA作为储存介质并非首次尝试,科学家们对它其实觊觎已久。DNA作为储存介质有很多优点:体积小,一个碱基只有几个原子大小,人们以此为基础进行数据存储,整体的体积将大大领先于传统硬盘。密度大,一个DNA片段就含有无数个碱基;稳定性强,相比于其他需要低温、真空保存的存储介质,DNA可以在不苛刻的条件下保存上百年。

得益于微流体技术的发展,合成、排列DNA成为了一项较为简单方便的工作。在此之前,人类基因组计划(Human Genome Project)为了研究一个含有30亿对碱基的人类DNA组要耗费数年的时间。

目前,使用DNA进行存储的大部分研究利用了人工合成的DNA。将数码信息编码至活体细胞比编码到人工合成DNA更加复杂,因为活细胞会不断移动,变化,分裂和死亡。但是,哥伦比亚大学的计算机科学家和生物学家认为,把数据存储到活细胞(比如细菌)中将受到更好的保护。因为一些细菌在核爆炸,辐射暴露或极高温度后仍然会保持活性。

除了直接用做“生物硬盘”,Church实验室的科研人员还计划将利用这项技术制作“生物传感器”,让细胞内的基因组对细胞内或细胞周围的环境发生的各种事情进行编码。这样,人类就可以更加有效的探索微观环境。比如把他们植入人类脑部,脑部的细胞就可以记录神经突触的活性。这样,就可以精确的告诉科研人员神经细胞之前是如何交流的。

虽然这种技术短期内不会被普及, 但现有研究成果可以证明,它是一个很有价值的研究工具。或许有一天,我们家的相册就会被备份在一个小小的大肠杆菌里面。

(本文首发钛媒体,译者王昊综合自wiredtechnologyreview。)

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