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但別想著(zhù)把 DNA 當祖傳硬盤(pán)使，一是存不起，二是會(huì )突變。
大腸桿菌是腸道菌群的組成成分之一，它的遺傳背景清楚，在基因工程中的應用最為廣泛?？茖W(xué)家們編輯它的基因，將它轉變?yōu)榭股?、癌癥藥物、生物燃料等產(chǎn)品的合成工廠(chǎng)。在最近的一項實(shí)驗中，大腸桿菌甚至變身存儲設備，借助基因編輯技術(shù)存儲了一張 GIF 圖像。
使用 DNA 存儲數據并不是新聞，5 年前就有團隊在 DNA 中存儲文字和圖片。作為新興的存儲介質(zhì)，它存儲密度巨大，1 克 DNA 可存數億 GB 數據；儲存年限久遠，妥善保存可數萬(wàn)年，并且測序就能讀取。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，存儲的介質(zhì)都是人工合成 DNA 的片段，而不是活細胞中的 DNA。將信息存儲在細胞多變的環(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中，在數代繁衍后重新讀取 DNA 片段，圖像的還原度達到了 90%，成果發(fā)表在本周的《自然》雜志上。
這是一項有趣的研究——它并沒(méi)有降低 DNA 存儲技術(shù)的成本，更像是用 CRISPR 技術(shù)來(lái)炫技，證明它可以把數據寫(xiě)進(jìn)活的細胞，再通過(guò)細胞的復制，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 )有一系列生化反應在細胞中發(fā)生，但很難明確地記錄下來(lái)。而這項研究證明了 CRISPR 技術(shù)在大腸桿菌上的應用，真正的目標是讓細胞變成記錄儀，可以收集各種分子信息并存儲在 DNA 當中，以便之后查閱在發(fā)育中的作用。這個(gè)概念被稱(chēng)為“分子紙條”，是那個(gè)正在復活猛犸象的遺傳學(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)現它。
如果你對這項技術(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 指的是細菌細胞中“規律成簇的間隔短回文重復”，是細菌抵擋病毒感染的一種防御機制。當病毒感染細菌細胞時(shí)，會(huì )把自己的遺傳物質(zhì)嵌入到宿主細胞的 DNA 上，以此利用宿主細胞為自己服務(wù)。細菌為了抵御病毒的感染，進(jìn)化出了 CRISPR 序列來(lái)應對，這種序列能夠指導相關(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 團隊發(fā)現，通過(guò)對 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 HIV 的基因片段，中國還第一個(gè)做了抗肺癌的臨床實(shí)驗。
而在這項研究當中，研究人員希望開(kāi)發(fā)出一種記錄系統，把神經(jīng)元間的活動(dòng)編碼為 DNA 片段儲存起來(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。團隊將這些像素整理為 112 個(gè) DNA 片段，連同 CRISPR-Cas 系統一起轉入大腸桿菌，發(fā)現繁殖代數越多，基因組中讀取到的圖像信息就越完整。
這張圖來(lái)自攝影師 Eadweard Muybridge 的動(dòng)態(tài)攝影，谷歌用這張圖做過(guò) Doodle。原圖好歹是攝影作品，像素并沒(méi)有這么低。圖片來(lái)自 Seth Shipman
之后，他們迎接了更難的挑戰，選擇了十九世紀攝影師埃德沃德 · 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，用相同的系統以每天 1 幀的速度將 5幀影像編碼進(jìn)基因組，多代細菌繁衍后再測序，所讀取的片段還原度達到了 90%。
CRISPR-Cas 系統在基因編輯上的優(yōu)勢，讓后期基因的測序和數據的讀取變得更方便，也讓圖像這種較大文件存入活細胞的想法得以實(shí)現。但說(shuō)了這么多，即使未來(lái) DNA 合成變得廉價(jià)，人類(lèi)也并不會(huì )把電影劇集存在活細胞的 DNA 中。一是因為活細胞得費心養著(zhù)，二是盡管 DNA 的生物復制比人工合成要來(lái)得快，但它會(huì )發(fā)生突變，導致數據變得不準確。更有可能的是，你的 DNA 將記錄你的記憶細胞所經(jīng)歷的一切，但并不能把《成長(cháng)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
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