科學家又在 DNA 中存了一張 GIF 圖，這次是在活的細菌里

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。科學家們編輯它的基因，將它轉變為抗生素、癌症藥物、生物燃料等產品的合成工廠。在最近的一項實驗中，大腸桿菌甚至變身存儲設備，藉助基因編輯技術存儲了一張 GIF 圖像。

使用 DNA 存儲數據並不是新聞，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，它存儲密度巨大，1 克 DNA 可存數億 GB 數據；儲存年限久遠，妥善保存可數萬年，並且測序就能讀取。缺點則是目前合成 DNA 的成本太高，且不能隨時存取。

但在此前的研究中，存儲的介質都是人工合成 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境里，要比直接合成基因片段困難得多。哈佛大學的研究人員把一張手掌的照片和一段策馬奔騰的動態圖片編碼成 DNA 片段，藉助 CRISPR 基因編輯技術剪切到大腸桿菌的基因當中，在數代繁衍後重新讀取 DNA 片段，圖像的還原度達到了 90%，成果發表在本周的《自然》雜誌上。

這是一項有趣的研究——它並沒有降低 DNA 存儲技術的成本，更像是用 CRISPR 技術來炫技，證明它可以把數據寫進活的細胞，再通過細胞的複製，得到還原度比較高的 DNA 片段。但問題是，這樣做的目的是什麼呢？

左圖被編碼成 DNA 序列後，與 CRISPR-Cas 系統一起編碼進活細菌中。活細菌繁衍多代後經過高通量測序得到右圖。

論文的作者之一、哈佛醫學院合成生物學家 Seth Shipman 想要研究大腦發育的過程，這個過程中會有一系列生化反應在細胞中發生，但很難明確地記錄下來。而這項研究證明了 CRISPR 技術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並存儲在 DNA 當中，以便之後查閱在發育中的作用。這個概念被稱為「分子紙條」，是那個正在復活猛獁象的遺傳學家喬治·切奇（George Church）的點子，他們選擇了 CRISPR 技術來實現它。

如果你對這項技術還不是很了解，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「規律成簇的間隔短迴文重複」，是細菌抵擋病毒感染的一種防禦機制。當病毒感染細菌細胞時，會把自己的遺傳物質嵌入到宿主細胞的 DNA 上，以此利用宿主細胞為自己服務。細菌為了抵禦病毒的感染，進化出了 CRISPR 序列來應對，這種序列能夠指導相關的蛋白質（CRISPR associated，Cas）變身剪刀，切割掉病毒的遺傳物質。

2012 年，加州大學伯克利分校的 Jennifer Doudna 團隊發現，通過對 Cas9 這一蛋白進行編程，可以切割任何感興趣的 DNA。這給了 CRISPR 技術無限的潛力，科學家們利用這支「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，中國還第一個做了抗肺癌的臨床實驗。

而在這項研究當中，研究人員希望開發出一種記錄系統，把神經元間的活動編碼為 DNA 片段儲存起來。他們最早的嘗試是將一個 56 X 56 像素的黑白人手圖片轉入大腸桿菌的基因組，其中每個像素需要 28 個鹼基編碼。團隊將這些像素整理為 112 個 DNA 片段，連同 CRISPR-Cas 系統一起轉入大腸桿菌，發現繁殖代數越多，基因組中讀取到的圖像信息就越完整。

這張圖來自攝影師 Eadweard Muybridge 的動態攝影，谷歌用這張圖做過Doodle。原圖好歹是攝影作品，像素並沒有這麼低。圖片來自 Seth Shipman

之後，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態影像之一——一匹奔跑中的馬，用相同的系統以每天 1 幀的速度將 5幀影像編碼進基因組，多代細菌繁衍後再測序，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勢，讓後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現。但說了這麼多，即使未來 DNA 合成變得廉價，人類也並不會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，二是儘管 DNA 的生物複製比人工合成要來得快，但它會發生突變，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歷的一切，但並不能把《成長的煩惱》嵌入你的基因。

題圖 byMarc Christoforidis來自TED-Ed

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