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活体的图书馆信息存到大肠杆菌DNA中!

2017年7月17日11:13 环球解密

    大肠杆菌是人和动物体内最常见的细菌。不过这个看似平凡的微生物,除了偶尔叫人肚子作怪之外,也因为它易于编辑的基因组,带给了人类许多贡献。

    从胰岛素、抗生素、癌症药物、生质燃油到人造橡胶,都和它有关。在未来,它可能还可能用来存放你的自拍!

    在最新出版的《自然》期刊,哈佛大学的研究团队把影像和GIF图档,成功编码存入了大肠杆菌的DNA。

    DNA曾被形容是最终极的资讯储存器。把0与1的数位编码转化成编写生命密码的ACTG四个碱基,就可以把资料储存在DNA之中。它同时解决了储存资料空间和时间的问题:DNA所需的空间微小,存放千年万年也不易变质。

    过去科学家曾经用DNA来编码并储存有587,287个字数的长篇小说《战争与和平》、收藏在挪威的斯瓦尔巴全球种子库(Svalbard global seed vault)的所有植物清单、甚至是一张OK Go乐团的音乐专辑。

    不过,现在科学家第一次创造了活体的图书馆——它内建在大肠杆菌里。

    在最新一期《自然》期刊,美国哈佛大学的研究团队发表了最新的实验。他们利用Crispr系统把编写了照片和GIF图档程式的一小段DNA置入了大肠杆菌的基因组。随后,研究人员把细菌的基因组排序后,成功读取了原来的影像,和他们原本输入的影像相比准确度达到90%。

    Crispr(clustered regularly interspaced short palindromic repeats 中译名“常间回文重复序列丛集”)听似莫测高深,过去科学家利用它已经创造出各种令人惊奇的事物。不过,这些重大发现多仅限于基因专家和医疗领域。哈佛大学这次的研究,则希望将Crispr适用范围扩大到医疗领域之外。

    用比较简单的比喻,Crispr相关的蛋白酶(这次的案例中使用的是Cas1和Cas2) 作用就像电脑上“剪下、贴上”的快速键。科学家可以选定特定一小段的DNA,将它剪下来动手修改、甚至整段代换。

    奔驰的马儿的GIF因为它的动态特质,要比静态的图档要更加复杂。藉由Cas1和Cas2排序的能力,研究人员把GIF图档逐格的时序编码写进活的细菌基因组。

    特别值得注意的是,细菌会持续分裂繁殖,所以它基因里储存的数据将透过遗传物质传递给它的后代。

    哈佛研究团队利用号称“基因魔剪”的Crisper,把活的细胞变成数位的数据储存库。不过,报告的共同作者尼瓦拉(Jeff Nivala)说,他们主要的目标不只是用它来帮人们保存影像讯息,而是希望把神经元这类人体细胞,变成生物的纪录器。

    哈佛研究团队利用号称“基因魔剪”的Crisper,把活的细胞变成数位的数据储存库。不过,报告的共同作者尼瓦拉(Jeff Nivala)说,他们主要的目标不只是用它来帮人们保存影像讯息,而是希望把神经元这类人体细胞,变成生物的纪录器。

    按照Crisper系统作用的方式,当病毒入侵细胞时,Cas1和Cas2蛋白酶会出动,攫取一小段攻击病毒的DNA放入细胞的基因组。每次遇到新的攻击,它们会按照时间顺序加入,这让细胞的基因组成了时间的纪录器,犹如用来研究地质史的冰芯(ice core)。

    尼瓦拉说,科学家未来也许能利用这个Crispr系统来纪录神经的“突触活动”(synaptic activity),也就是神经元之间的讯息交换的历史。“就像是婚礼上的宾客签名簿一样”,尼瓦拉认为在基因组嵌入的讯号,可告诉研究者在不同时间、回应不同的刺激时,哪些神经元互相对话。论文的首席作者希普曼(Seth Shipman)相信,未来任何人想要了解这个细胞的行为或是在特定一段时间里细胞与环境的互动情况,都可以读取和重新播放纪录。

    如果你把细胞想像成一个处理器,那么它就是加了一个随身碟,可以储存资讯留待稍后处理。

    微软公司DNA储存计划首席研究员史特劳斯(Karin Strauss)

    以DNA储存数位讯息,如今成了热门研究。去年微软公司创下了DNA储存资料的新纪录—— 200MB。微软也计划在2020年之前,建构DNA的储存系统。

    一些DNA客制化的公司如Twist Biosciences,也开始出售DNA给客户做储存讯息用途。不过这只占公司业务的极小一部份(约5%)。专家估计,它的储存成本可能还需要降到现今的万分之一,才具备和传统储存方式竞争的能力。

    不过从长远角度来看,它的利益非常巨大。因为在低温干燥的环境下适当保存,DNA储存的数据可保至少十万年无恙。

    欧洲生物资讯研究院的主任博尼(Ewan Birney),认为哈佛团队的研究报告“很妙”,不过活的细胞并不是让DNA储存真正达到产业规模的发展方向,因为活细胞可能经历一段时间后产生基因的突变。他说:“让我真正印象深刻的,是它编码达成的高保真度。它确实是Crispr的经典杰作。”

    参考资料:

    Scientists Upload a Galloping Horse GIF Into Bacteria With Crispr(Wired)

    Gif and image written into the DNA of bacteria(BBC)

    Scientists have inserted a GIF of a horse into living bacteria — did your brain just explode?(TechCrunch)

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