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超级DNA硬盘来了!科学家成功“编程”大肠杆菌 将电脉冲转化为DNA片段

硬盘和光盘只要按下一个按钮就能存储千兆字节的数字数据。但这些技术——就像之前的磁带和软盘驱动器一样——一旦被新技术取代,就会变得过时和不可读。

现在,研究人员已经提出了一种将数据以电子方式写入活细菌DNA的方法,这种存储方式不太可能在短期内被淘汰。

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“这是很好的一步,也许有一天会刺激商业发展,”莱斯顿研究所和加州大学旧金山分校的生物工程师Seth Shipman表示。然而,他指出,实际应用还有很长的路要走。

DNA对于数据存储的吸引力主要表现在几个方面。首先,它的密度是最紧凑硬盘的1000多倍,可以在一粒盐的体积内存储相当于10部完整长度的数字电影。而且,由于DNA是生物学的核心,读取和写入DNA的技术预计会随着时间的推移而变得更加廉价和强大。

比如,科学家们现在证明了:大肠杆菌可以将电脉冲转化为储存在其基因组中的DNA片段。

在DNA中存储数据其实并不是一个新想法。为了实现这样的操作,研究人员通常将数据文件中的一串数字“1”和“0”转换成分子中的四个碱基的组合:腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。

然后,他们使用DNA合成器将这些代码写入DNA。但DNA合成的准确性随着编码的延长而降低,因此研究人员通常会将他们的文件分解成块,并将其写入长度在200-300个碱基之间的DNA片段。

每个片段都有一个索引来识别其在文件中的位置,然后DNA测序器读取片段以重新组装文件。但是这项技术很昂贵,合成1兆比特的信息要花费3500美元。储存信息的DNA小瓶会随着时间的推移而退化。

为了创造一种持久的、更容易编码的介质,研究人员正在努力将数据写入生物体的DNA中,这些DNA会复制并将基因传递给下一代。2017年,哥伦比亚大学(Columbia University)系统生物学家哈里斯·王(Harris Wang)领导的一个团队使用CRISPR基因编辑系统识别生物信号,比如果糖的存在。当研究人员将果糖添加到大肠杆菌细胞中时,被称为质粒的环状DNA片段的基因表达增加。

接下来,CRISPR成分——进化来保护细菌免受病毒入侵——将过表达的质粒切成碎片,并将其中一部分插入细菌DNA中“记住”先前病毒入侵的特定部分。插入的基因位代表一个数字位。如果果糖信号缺失,细菌就会存储一个随机的DNA片段,代表一个数字零。然后对大肠杆菌的DNA进行测序,通过1还是0来揭示细菌是否接触了果糖。

但由于这种装置只能存储几个比特的数据,王和他的同事们用一个可以编码更长的信息串的系统取代了果糖识别系统:一个电子输入。他们在大肠杆菌中插入了一系列基因,使细胞能够对电压作出反应而增加质粒表达。与果糖设置一样,表达量的增加导致数字表达量被存储在细菌的DNA中。为了读出这些1和0,研究人员简单地对细菌进行了测序。

使用这种方法,王和他的同事们对多达72位的数据进行了电子编码,以写入信息“你好,世界!”(Hello world!)他们今天在《自然化学生物学》(Nature Chemical Biology)杂志上发表了研究报告。他们还表明,他们可以将携带信息的大肠杆菌加入正常土壤微生物的混合物中,然后对混合物进行测序,以恢复其存储的信息。

翻译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源:https://www.sciencemag.org/news/2021/01/scientists-program-living-bacteria-store-data

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