-為存數(shù)據(jù) 研究人員給細(xì)菌編程

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大腸桿菌可以將電脈沖轉(zhuǎn)化成存儲在其基因組中的DNA片段。（圖片來源：Sproetniek/iStock）
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“Hello World！”是許多程序員的第一行代碼，但你見過從活的生物體內(nèi)讀出的“Hello World！”嗎？哥倫比亞大學(xué)的一個研究小組做到了，他們把數(shù)據(jù)寫入活細(xì)菌的DNA，相關(guān)研究11日發(fā)表在《自然-生物化學(xué)》上。
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對數(shù)據(jù)存儲而言，DNA在許多方面都很有吸引力。比如，相較于目前結(jié)構(gòu)最緊湊的硬盤，DNA的密度是前者的一千倍以上，在一粒鹽大小的面積上能存儲10部完整的數(shù)字電影。而且，DNA在生物學(xué)中的重要性不言而喻，隨著時間推移，讀取和寫入DNA的技術(shù)終將迎來實用性更強、成本更低的那一天。
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實際上，用DNA存儲數(shù)據(jù)并不是個新點子。據(jù)《科學(xué)》報道，研究人員通常將二進(jìn)制語言0和1轉(zhuǎn)換為DNA的4個堿基AGCT（腺嘌呤,鳥嘌呤，胞嘧啶，胸腺嘧啶），再用合成器將代碼寫入DNA。
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但這種方法也有缺點，DNA合成的準(zhǔn)確性會隨著代碼獲取時間的延長而降低，研究人員不得不將文件拆成多個部分，然后分別將其寫入200-300個堿基長度的DNA片段內(nèi)。為了標(biāo)識它們在文件中的位置，研究者給這些片段都加了索引，當(dāng)測序儀讀取時這些片段得以重新組裝。按該方法，1兆位信息合成的成本高達(dá)3500美元，而裝在小瓶子里、存儲著信息的DNA還會隨時間降解。
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一直以來，研究人員都在尋找更持久、更易于編碼的方法。此次新發(fā)布的研究中，研究人員可將大腸桿菌及其攜帶的信息添加到正常土壤微生物的混合物中，通過對混合物測序，以獲取先前存儲的內(nèi)容。
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論文通訊作者、哥倫比亞大學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)系的Harris H. Wang早在2017年就和課題組成員探索將數(shù)據(jù)寫入或生物體DNA的方法，他與合作者曾利用基因編輯CRISPR系統(tǒng)識別生物信號，成功鑒定出果糖的存在。
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當(dāng)果糖被添加進(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞中時，基因表達(dá)在質(zhì)粒（一種環(huán)狀DNA）中增加。接著，CRISPR系統(tǒng)中的成分進(jìn)化為防御病毒入侵的細(xì)菌，將過表達(dá)的質(zhì)粒切成碎片，并將其中一些碎片放入細(xì)菌DNA的特定部分，以“記住”先前的病毒入侵者。插入的遺傳位代表二進(jìn)制里的1，如果沒有果糖信號，細(xì)菌會存儲隨機(jī)的DNA片段以表示二進(jìn)制中的0。對大腸桿菌DNA測序后，這些信息即可被讀取。
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之后，為了加大數(shù)據(jù)存儲量，研究團(tuán)隊用電子輸入替代了果糖識別系統(tǒng)，他們將一系列基因插入大腸桿菌，讓細(xì)胞能響應(yīng)電壓、增加質(zhì)粒表達(dá)，表達(dá)增加后，這些被數(shù)字化的表達(dá)物就能存進(jìn)細(xì)菌DNA。為了讀取存儲內(nèi)容，研究人員對細(xì)菌測序即可。
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Harris H. Wang表示，將數(shù)據(jù)存儲在活的生物體中還為時過早，他們也不會與當(dāng)前的存儲系統(tǒng)發(fā)生競爭。未來，他和更多研究者還需要想出改進(jìn)辦法，比如防止細(xì)菌復(fù)制時發(fā)生突變導(dǎo)致降解。



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