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智能

黎方宇16 小時(shí)前

大腸桿菌是腸道菌群的組成成分之一，它的遺傳背景清楚，在基因工程中的應(yīng)用最為廣泛?？茖W(xué)家們編輯它的基因，將它轉(zhuǎn)變?yōu)榭股亍┌Y藥物、生物燃料等產(chǎn)品的合成工廠。在最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，大腸桿菌甚至變身存儲(chǔ)設(shè)備，借助基因編輯技術(shù)存儲(chǔ)了一張 GIF 圖像。

使用 DNA 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并不是新聞，5 年前就有團(tuán)隊(duì)在 DNA 中存儲(chǔ)文字和圖片。作為新興的存儲(chǔ)介質(zhì)，它存儲(chǔ)密度巨大，1 克 DNA 可存數(shù)億 GB 數(shù)據(jù)；儲(chǔ)存年限久遠(yuǎn)，妥善保存可數(shù)萬(wàn)年，并且測(cè)序就能讀取。缺點(diǎn)則是目前合成 DNA 的成本太高，且不能隨時(shí)存取。

但在此前的研究中，存儲(chǔ)的介質(zhì)都是人工合成 DNA 的片段，而不是活細(xì)胞中的 DNA。將信息存儲(chǔ)在細(xì)胞多變的環(huán)境里，要比直接合成基因片段困難得多。哈佛大學(xué)的研究人員把一張手掌的照片和一段策馬奔騰的動(dòng)態(tài)圖片編碼成 DNA 片段，借助 CRISPR 基因編輯技術(shù)剪切到大腸桿菌的基因當(dāng)中，在數(shù)代繁衍后重新讀取 DNA 片段，圖像的還原度達(dá)到了 90%，成果發(fā)表在本周的《自然》雜志上。

這是一項(xiàng)有趣的研究——它并沒(méi)有降低 DNA 存儲(chǔ)技術(shù)的成本，更像是用 CRISPR 技術(shù)來(lái)炫技，證明它可以把數(shù)據(jù)寫進(jìn)活的細(xì)胞，再通過(guò)細(xì)胞的復(fù)制，得到還原度比較高的 DNA 片段。但問(wèn)題是，這樣做的目的是什么呢？

論文的作者之一、哈佛醫(yī)學(xué)院合成生物學(xué)家 Seth Shipman 想要研究大腦發(fā)育的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中會(huì)有一系列生化反應(yīng)在細(xì)胞中發(fā)生，但很難明確地記錄下來(lái)。而這項(xiàng)研究證明了 CRISPR 技術(shù)在大腸桿菌上的應(yīng)用，真正的目標(biāo)是讓細(xì)胞變成記錄儀，可以收集各種分子信息并存儲(chǔ)在 DNA 當(dāng)中，以便之后查閱在發(fā)育中的作用。這個(gè)概念被稱為“分子紙條”，是那個(gè)正在復(fù)活猛犸象的遺傳學(xué)家喬治·切奇（George Church）的點(diǎn)子，他們選擇了 CRISPR 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)它。

如果你對(duì)這項(xiàng)技術(shù)還不是很了解，CRISPR-Cas9 是一種可以精確剪切和編輯 DNA 的工具。其中 CRISPR 指的是細(xì)菌細(xì)胞中“規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)”，是細(xì)菌抵擋病毒感染的一種防御機(jī)制。當(dāng)病毒感染細(xì)菌細(xì)胞時(shí)，會(huì)把自己的遺傳物質(zhì)嵌入到宿主細(xì)胞的 DNA 上，以此利用宿主細(xì)胞為自己服務(wù)。細(xì)菌為了抵御病毒的感染，進(jìn)化出了 CRISPR 序列來(lái)應(yīng)對(duì)，這種序列能夠指導(dǎo)相關(guān)的蛋白質(zhì)（CRISPR associated，Cas）變身剪刀，切割掉病毒的遺傳物質(zhì)。

2012 年，加州大學(xué)伯克利分校的 Jennifer Doudna 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì) Cas9 這一蛋白進(jìn)行編程，可以切割任何感興趣的 DNA。這給了 CRISPR 技術(shù)無(wú)限的潛力，科學(xué)家們利用這支“基因剪刀”做了大量研究，比如改造雄蚊減少蚊子的繁衍、切除老鼠體內(nèi) HIV 的基因片段，中國(guó)還第一個(gè)做了抗肺癌的臨床實(shí)驗(yàn)。

而在這項(xiàng)研究當(dāng)中，研究人員希望開發(fā)出一種記錄系統(tǒng)，把神經(jīng)元間的活動(dòng)編碼為 DNA 片段儲(chǔ)存起來(lái)。他們最早的嘗試是將一個(gè) 56 X 56 像素的黑白人手圖片轉(zhuǎn)入大腸桿菌的基因組，其中每個(gè)像素需要 28 個(gè)堿基編碼。團(tuán)隊(duì)將這些像素整理為 112 個(gè) DNA 片段，連同 CRISPR-Cas 系統(tǒng)一起轉(zhuǎn)入大腸桿菌，發(fā)現(xiàn)繁殖代數(shù)越多，基因組中讀取到的圖像信息就越完整。

之后，他們迎接了更難的挑戰(zhàn)，選擇了十九世紀(jì)攝影師埃德沃德 · 邁布里奇所記錄的最早的動(dòng)態(tài)影像之一——一匹奔跑中的馬，用相同的系統(tǒng)以每天 1 幀的速度將 5幀影像編碼進(jìn)基因組，多代細(xì)菌繁衍后再測(cè)序，所讀取的片段還原度達(dá)到了 90%。

CRISPR-Cas 系統(tǒng)在基因編輯上的優(yōu)勢(shì)，讓后期基因的測(cè)序和數(shù)據(jù)的讀取變得更方便，也讓圖像這種較大文件存入活細(xì)胞的想法得以實(shí)現(xiàn)。但說(shuō)了這么多，即使未來(lái) DNA 合成變得廉價(jià)，人類也并不會(huì)把電影劇集存在活細(xì)胞的 DNA 中。一是因?yàn)榛罴?xì)胞得費(fèi)心養(yǎng)著，二是盡管 DNA 的生物復(fù)制比人工合成要來(lái)得快，但它會(huì)發(fā)生突變，導(dǎo)致數(shù)據(jù)變得不準(zhǔn)確。更有可能的是，你的 DNA 將記錄你的記憶細(xì)胞所經(jīng)歷的一切，但并不能把《成長(zhǎng)的煩惱》嵌入你的基因。 

論文 doi：10.1038/nature23017

題圖 by Marc Christoforidis 來(lái)自 TED-Ed