科學家對動畫GIF文件進行DNA編碼

DNA數據是什麼？我們經常將DNA的單位腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（C）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（G）看成說明書里那種不知道什麼意思的字母縮寫。

但是，我們是否能將這些DNA單位看成用於存儲微型信息單位生物計算機比特位？

（圖片：塞特·希普曼）

一個生物學家團隊利用作為基因編輯系統「規律成簇間隔短迴文重複」（CPISPR）基礎的細菌防禦機制，通過細菌種群的移動逐像素繪製了一幅GIF動圖。但是他們的最終目標並不是製作生物DVD，而是希望將來能夠使用這項技術製作生物記錄儀，用來追蹤環境中的細胞以及它的變化。

「我們使用視頻圖片來展示這一系統的強大威力，並希望能夠使用這一功能將所有的生物活動都記錄到DNA中去，」這項研究的第一作者哈佛醫學院的塞特·希普曼對美國知名科技博客Gizmodo的記者說，「我們的想法是，創建一個能夠在細胞或細胞環境中記錄信息的分子記錄儀，通過這種記錄儀，無需進行侵入式操作或損壞生物系統即可收集實驗數據。」

細菌能夠使用「規律成簇間隔短迴文重複」關聯基因蛋白質並從病毒中截取一段DNA序列，然後將其作為新的間隔序列整合到基因組序列之中作為識別標誌，在下一次病毒細菌入侵時，防禦機制可依靠識別標誌將入侵病毒細菌識別出來並進行攻擊。

蛋白質一般都是將新基因序列在舊基因材料的基礎上按順序進行疊加式插入。「這樣，我們就能夠逐一如實記錄基因系列是以何種順序進行組合的，」希普曼說，「實時信息就記錄在你破解出的基因組系列排列順序之中。」

刊載於《自然》雜誌的一項研究報告稱，研究人員通過這項技術製作了一些視頻，表明DNA是一種「優秀的數據存儲介質」。

研究人員通過將顏色及像素信息轉換為腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶等鹼基對的方法，使用DNA技術將一幅手的圖片首次進行了存儲測試。

這類似於DNA蛋白質的基因編碼方式，在構建這個定製DNA的過程中，腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶序列對應著相應的條形碼，這些條形碼決定著哪些像素應該是哪種顏色。然後，研究人員使用電脈衝在大腸桿菌細胞壁形成臨時管孔，並通過管孔將定製DNA序列注入大腸桿菌中。

這樣經過轉換的數據隨同定製DNA序列進入細菌體內後，細菌會使用規律成簇間隔短迴文重複關聯基因蛋白質將數據整合進它們的基因組中。然後，研究團隊對細菌種群進行培養，通過解讀DNA進行排序、轉換，最終重現了圖片。

雖然細菌是按照時間先後順序進行數據存儲的，但是GIF文件的細菌編碼是一個更為複雜的過程，GIF文件信息會分布在很多細胞當中。根據研究報告，研究人員目前還只能依靠單細胞來逐幀恢復序列信息。這就意味著，重現GIF動圖需要對海量不同細胞的DNA信息進行對比。下圖為插入細菌之前及重現之後的GIF圖片。

GIF/116K

（圖片：塞特·希普曼）

但這一有生命的數據存儲系統還存在一些局限，希普曼說。科學家試圖從這些細胞中提取大量信息，這時有些像素就會錯位或者破損，最終重現的GIF文件準確率為90%，還達不到100%。

此外，根據研究人員的方法，進行逆向解讀的細胞越多，GIF文件圖片的準確性就越高，研究人員需要考慮決定多少細胞、如何解讀較為合適。下圖展示了手部圖片隨著時間推移，重建效果逐步變好：

GIF/78K

（圖片：塞特·希普曼）

接受採訪的其他研究人員認為，這項研究非常有趣。「這種方法本身並不新鮮，但作為一項具體應用就很有意思了，」麻省理工學院的研究人員克里斯托弗·沃伊特通過電子郵件告訴美國知名科技博客Gizmodo的記者——沃伊特最近設計製造了一種細菌來製作彩色圖片。

「通過這個方法，研究人員使用低成本DNA合成技術及基因組編輯工具將圖片、視頻信息存入了活細胞基因組中。細胞每複製一次，就可產生一份信息拷貝。盜版商們有新方法了！」

希普曼希望在生物學研究中應用這一方法，例如，使用細菌來監測環境中的重金屬，並通過DNA來長時間記錄這些污染物情況。但是，想像一下，如果要記錄傳染情況或疾病，那得需要多少細菌呀！

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