一群科學家把小電影存到細菌里去了

7 月 12 日，《自然》（Nature）發表了美國哈佛大學科研人員的一篇論文：研究人員利用 CRISPR-Cas 系統，將埃德沃德·邁布里奇（Eadweard J. Muybridge）的《人類和動物的運動》中收錄的圖片和一部短片編碼進了細菌的基因組中。英國皇家化學會Chemistry World網站也進行了相關報道。

CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria

Seth L. Shipman, Jeff Nivala, Jeffrey D. Macklis & George M. Church

Nature(2017) DOI：10.1038/nature23017

不只硬碟能存小電影

近年來，莎士比亞的《十四行詩》、馬丁·路德·金《我有一個夢想》的演講辭、甚至是亞馬遜的禮品卡，都已被科學間們以數據的形式存儲到 DNA 中去了。現在，美國哈佛大學的科學家們更進一步，成功地將圖片甚至簡單的電影插入活細菌的基因組中。

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左圖顯示的是一幀幀母馬「AnnaG」賓士的畫面，右圖是細菌經數次生長後，研究者利用細菌 DNA 測序而重構的圖像。

Credit: Seth Shipman

本論文作者之一，美國哈佛大學的 Seth Shipman 說到：「我們正在用使用圖像和電影進行試驗——我們稱這一系統為『分子記錄儀』，但我們希望它最終能被用來獲取我們還不知道的信息。」 Seth Shipman 是哈佛大學 George Church 課題組的成員，該課題組於 2012 年成功實現了 DNA 的信息存儲。

哈佛大學遺傳學大神 George Church

Seth Shipman 解釋說，DNA 是一種很好的存儲介質，因為這種分子在較長的時間內都具有非常好的穩定性；所以，「要儲存不經常訪問的數據，DNA 分子會是一個很好的選擇。」但他補充說，用活的細菌來儲存數據卻沒有那麼容易。要實現這一目標，不僅需要合成編碼的 DNA，而且還需要將它們轉入細胞，並要使這些新基因被順利地整合到細菌的基因組中。

如何給圖片和小電影「打碼」

為了完成將 DNA 轉化為數據存儲介質的任務，該團隊使用了 Crispr-Cas9 這一工具。Crispr-Cas9 是細菌免疫系統的一部分，能夠在基因組的特定區域中佔據和插入入侵病毒的遺傳物質。

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Crispr-Cas9 作用方式示意圖

在他們的第一個概念驗證實驗中，一張人類手的黑白照片中的像素被編碼到了大腸桿菌的基因組中。

科研人員們嘗試了不同的策略來對數據進行編碼。「一個是四色方案，也就是一個鹼基對應於一種顏色；這種編碼方式的效果不是很好，因為會產生一些與宿主生物不兼容的基因序列」，Shipman 說到：「我們最終使用了更靈活的編碼方式，類似於用於合成蛋白質的密碼子。在這種編碼方式中，共有 21 種顏色，每種顏色可以通過三個不同的核苷酸進行編碼。這樣我們就可以靈活地合成出所需的 DNA，避免問題序列的出現。」

DNA 中的鹼基序列即是蛋白質的密碼子

隨後，該團隊還在埃德沃德·邁布里奇（Eadweard J. Muybridge）的《人類和動物的運動》中收錄的一部馬的短片中選取了 5 幀的圖片，編碼進了大腸肝菌的 DNA 中。這些幀是先後逐個插入的，以便它們以正確的順序被編碼。

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隨後，這些儲存在 DNA 中的信息可以被較為方便地讀取，因為所有的新序列都存儲在大腸桿菌基因組的單個區域中。「所以我們只是從許多細胞中放大一個位置，並尋找以前沒有的序列」，Shipman 這樣說道。像素數據的讀取精度可以達到近 90％。

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離英國劍橋不遠的歐洲分子生物學實驗室歐洲生物信息學研究所的 Ewan Birney 說，在細胞中記錄信息的「小黑盒」的想法非常有趣而新奇。他補充說：「令人激動的是，他們的信息存儲系統的信息量非常之大，而不是僅僅將簡單的信息存儲在 DNA 中。」

Ewan Birney, Director of EMBL-EBI

完整的視頻講解：

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