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科学家又在 DNA 中存了一张 GIF 图,这次是在活的

来源:网络整理 2018-01-06 09:21  

大肠杆菌是肠道菌群的组成成分之一,它的遗传背景清楚,在基因工程中的应用最为广泛。科学家们编辑它的基因,将它转变为抗生素、癌症药物、生物燃料等产品的合成工厂。在最近的一项实验中,大肠杆菌甚至变身存储设备,借助基因编辑技术存储了一张 GIF 图像。

使用 DNA 存储数据并不是新闻,5 年前就有团队在 DNA 中存储文字和图片。作为新兴的存储介质,它存储密度巨大,1 克 DNA 可存数亿 GB 数据;储存年限久远,妥善保存可数万年,并且测序就能读取。缺点则是目前合成 DNA 的成本太高,且不能随时存取。

但在此前的研究中,存储的介质都是人工合成 DNA 的片段,而不是活细胞中的 DNA。将信息存储在细胞多变的环境里,要比直接合成基因片段困难得多。哈佛大学的研究人员把一张手掌的照片和一段策马奔腾的动态图片编码成 DNA 片段,借助 CRISPR 基因编辑技术剪切到大肠杆菌的基因当中,在数代繁衍后重新读取 DNA 片段,图像的还原度达到了 90%,成果发表在本周的《自然》杂志上。

这是一项有趣的研究——它并没有降低 DNA 存储技术的成本,更像是用 CRISPR 技术来炫技,证明它可以把数据写进活的细胞,再通过细胞的复制,得到还原度比较高的 DNA 片段。但问题是,这样做的目的是什么呢?

左图被编码成 DNA 序列后,与 CRISPR-Cas 系统一起编码进活细菌中。活细菌繁衍多代后经过高通量测序得到右图。

论文的作者之一、哈佛医学院合成生物学家 Seth Shipman 想要研究大脑发育的过程,这个过程中会有一系列生化反应在细胞中发生,但很难明确地记录下来。而这项研究证明了 CRISPR 技术在大肠杆菌上的应用,真正的目标是让细胞变成记录仪,可以收集各种分子信息并存储在 DNA 当中,以便之后查阅在发育中的作用。这个概念被称为“分子纸条”,是那个正在复活猛犸象的遗传学家乔治·切奇(George Church)的点子,他们选择了 CRISPR 技术来实现它。

如果你对这项技术还不是很了解,CRISPR-Cas9 是一种可以精确剪切和编辑 DNA 的工具。其中 CRISPR 指的是细菌细胞中“规律成簇的间隔短回文重复”,是细菌抵挡病毒感染的一种防御机制。当病毒感染细菌细胞时,会把自己的遗传物质嵌入到宿主细胞的 DNA 上,以此利用宿主细胞为自己服务。细菌为了抵御病毒的感染,进化出了 CRISPR 序列来应对,这种序列能够指导相关的蛋白质(CRISPR associated,Cas)变身剪刀,切割掉病毒的遗传物质。

2012 年,加州大学伯克利分校的 Jennifer Doudna 团队发现,通过对 Cas9 这一蛋白进行编程,可以切割任何感兴趣的 DNA。这给了 CRISPR 技术无限的潜力,科学家们利用这支“基因剪刀”做了大量研究,比如改造雄蚊减少蚊子的繁衍、切除老鼠体内 HIV 的基因片段,中国还第一个做了抗肺癌的临床实验。

而在这项研究当中,研究人员希望开发出一种记录系统,把神经元间的活动编码为 DNA 片段储存起来。他们最早的尝试是将一个 56 X 56 像素的黑白人手图片转入大肠杆菌的基因组,其中每个像素需要 28 个碱基编码。团队将这些像素整理为 112 个 DNA 片段,连同 CRISPR-Cas 系统一起转入大肠杆菌,发现繁殖代数越多,基因组中读取到的图像信息就越完整。

这张图来自摄影师 Eadweard Muybridge 的动态摄影,谷歌用这张图做过 Doodle。原图好歹是摄影作品,像素并没有这么低。图片来自 Seth Shipman

之后,他们迎接了更难的挑战,选择了十九世纪摄影师埃德沃德 · 迈布里奇所记录的最早的动态影像之一——一匹奔跑中的马,用相同的系统以每天 1 帧的速度将 5帧影像编码进基因组,多代细菌繁衍后再测序,所读取的片段还原度达到了 90%。

CRISPR-Cas 系统在基因编辑上的优势,让后期基因的测序和数据的读取变得更方便,也让图像这种较大文件存入活细胞的想法得以实现。但说了这么多,即使未来 DNA 合成变得廉价,人类也并不会把电影剧集存在活细胞的 DNA 中。一是因为活细胞得费心养着,二是尽管 DNA 的生物复制比人工合成要来得快,但它会发生突变,导致数据变得不准确。更有可能的是,你的 DNA 将记录你的记忆细胞所经历的一切,但并不能把《成长的烦恼》嵌入你的基因。


论文 doi:10.1038/nature23017

题图 by Marc Christoforidis 来自 TED-Ed

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