科学家将视频“放入”大肠杆菌:DNA能像硬盘一样存储信息

2017-07-14 12:42 | 作者: 吴跃伟 | 标签: 基因存储 大肠杆菌


一个人骑着马狂奔的Gif图(原图,左),科学家把这张Gif图存到了一群大肠杆菌的基因组里。读取出来的图像(右)。

不久的将来,我们的电脑"硬盘"需要的能源或许不再是电力,而是一点点食物,或者说培养基。

7月13日,在线发表在国际学术期刊《自然》(Nature)上的一篇研究论文显示,美国哈佛大学医学院的研究人员赛斯•希普曼(Seth Shipman)带领的研究人员,将一部视频短片(Gif图)存进了活的大肠杆菌里。

通过DNA测序,他们还能把这些存在这些活细胞里的数据读取出来。

《自然》期刊官网报道称,美国北卡罗莱纳州导体企业家维克托•日尔诺夫(Victor Zhirnov)表示,希普曼等人研究是一个革命性成果,“就像是1903年人类发明的第一架飞机,从那时起,10年后,人类拥有的飞机,和今天我们拥有的很相像了。"

大肠杆菌是人们日常生活最遇到的细菌之一,大部分无害。

这部视频短片的内容是一个人骑着马狂奔时的情景,它只有5帧图像,36x26个像素大小。但它被写进了大肠杆菌的DNA里,可以被复制、保存以及读取。读取这些信息的方式是DNA测序,根据测序得到的DNA序列信息,可以把画面重构出来。



除存了一张人骑着马狂奔的Gif图,研究人员还尝试在这群细菌中存了一张人手的照片。上图是其编码、存储和读取信息的过程。

该论文的标题是《用CRISPR–Cas系统把一部数字电影存进一群细菌的基因组中》(CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria)。

DNA的特点是能够在生物体内高保真地复制,从而保证其正确地被传递下去。研究人员发现,他们目前存取信息的准确度能达到90%左右。

但如何将这一信息存入大肠杆菌呢?

要解决两个问题:首先是如何编码,然后是如何将这些电报一样的编码转入,并稳定地储存在大肠杆菌中。

DNA是包括人在内很多生命体的遗传物质,储存着生命最重要的遗传信息。作为生物细胞中最稳定的成分之一,长长的DNA序列由一个个核苷酸组成。在人类基因组中,三个核苷酸代表一个语义。



研究人员在一群大肠杆菌中存储了一张gif图:一个人骑着马狂奔。上图是其编码、存储和读取信息的过程。

在希普曼的研究中,他们也用核苷酸生成代码,一个代码关联一张图片中单个像素。也就是说,每个像素都对应着多个核苷酸组成的DNA序列。

视频由一张张按时间顺序出现的图像组成,单张图像被解构成像素代码,对应着核苷酸序列。

研究人员合成了代表上述图像的DNA序列,通过电穿孔技术,把这些DNA转入大肠杆菌中。在CRISPR-Cas系统的帮助下,这些DNA被整合到大肠杆菌基因组中。一旦整合,就实现了信息的存储。

CRISPR-Cas系统被称为基因魔剪,是目前最火的基因编辑技术。它能够添加或删减细胞基因组,甚至不留下任何抗性标记。

在CRISPR系统的帮助下,希普曼初步实现了在活细胞中储存数据的概念性的设计——DNA存储。此外,他们还测试了哪些序列最适合将数据传输至基因组。 

来源:澎湃新闻

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