不要驚訝!未來你的硬盤可能是細菌“做”的

07-14

一個人騎著馬狂奔的 Gif 圖(原圖,左),科學傢把這張 Gif 圖存到瞭一群大腸桿菌的基因組裡。讀取出來的圖像(右)。


不久的將來,我們的電腦 " 硬盤 " 需要的能源或許不再是電力,而是一點點食物,或者說培養基。


7 月 13 日,在線發表在國際學術期刊《自然》(Nature)上的一篇研究論文顯示,美國哈佛大學醫學院的研究人員賽斯 • 希普曼 ( Seth Shipman ) 帶領的研究人員,將一部視頻短片(Gif 圖)存進瞭活的大腸桿菌裡。


通過 DNA 測序,他們還能把這些存在這些活細胞裡的數據讀取出來。


《自然》期刊官網報道稱,美國北卡羅萊納州導體企業傢維克托 • 日爾諾夫(Victor Zhirnov)表示,希普曼等人研究是一個革命性成果," 就像是 1903 年人類發明的第一架飛機,從那時起,10 年後,人類擁有的飛機,和今天我們擁有的很相像瞭。"


大腸桿菌是人們日常生活最遇到的細菌之一,大部分無害。


這部視頻短片的內容是一個人騎著馬狂奔時的情景,它隻有 5 幀圖像,36x26 個像素大小。但它被寫進瞭大腸桿菌的 DNA 裡,可以被復制、保存以及讀取。讀取這些信息的方式是 DNA 測序,根據測序得到的 DNA 序列信息,可以把畫面重構出來。

除存瞭一張人騎著馬狂奔的 Gif 圖,研究人員還嘗試在這群細菌中存瞭一張人手的照片。上圖是其編碼、存儲和讀取信息的過程。


該論文的標題是《用 CRISPR – Cas 系統把一部數字電影存進一群細菌的基因組中》(CRISPR – Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria)。


DNA 的特點是能夠在生物體內高保真地復制,從而保證其正確地被傳遞下去。研究人員發現,他們目前存取信息的準確度能達到 90% 左右。


但如何將這一信息存入大腸桿菌呢?


要解決兩個問題:首先是如何編碼,然後是如何將這些電報一樣的編碼轉入,並穩定地儲存在大腸桿菌中。


DNA 是包括人在內很多生命體的遺傳物質,儲存著生命最重要的遺傳信息。作為生物細胞中最穩定的成分之一,長長的 DNA 序列由一個個核苷酸組成。在人類基因組中,三個核苷酸代表一個語義。

研究人員在一群大腸桿菌中存儲瞭一張 gif 圖:一個人騎著馬狂奔。上圖是其編碼、存儲和讀取信息的過程。


在希普曼的研究中,他們也用核苷酸生成代碼,一個代碼關聯一張圖片中單個像素。也就是說,每個像素都對應著多個核苷酸組成的 DNA 序列。


視頻由一張張按時間順序出現的圖像組成,單張圖像被解構成像素代碼,對應著核苷酸序列。


研究人員合成瞭代表上述圖像的 DNA 序列,通過電穿孔技術,把這些 DNA 轉入大腸桿菌中。在 CRISPR-Cas 系統的幫助下,這些 DNA 被整合到大腸桿菌基因組中。一旦整合,就實現瞭信息的存儲。


CRISPR-Cas 系統被稱為基因魔剪,是目前最火的基因編輯技術。它能夠添加或刪減細胞基因組,甚至不留下任何抗性標記。


在 CRISPR 系統的幫助下,希普曼初步實現瞭在活細胞中儲存數據的概念性的設計—— DNA 存儲。此外,他們還測試瞭哪些序列最適合將數據傳輸至基因組。

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