細菌硬碟：永久將數據儲存在活體細胞中

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時間：2016-06-17　來源：互聯網哈佛大學的科學家們利用CRISPR基因編輯工具，已研發出一種能永久將數據儲存在活體細胞中的技術。更令人難以置信的是，被刻在這些微生物中的信息能夠傳遞給微生物的下一代。CRISPR/Cas9是一種神奇的萬能工具。這種幾年前才出現的、廉價且容易使用的分子編輯系統有著多方面用途，包括基因工程、RNA編輯、疾病建模和對抗HIV等逆轉錄病毒。現在，它還能夠將不起眼的微生物變成名副其實的硬碟。

其實科學家們之前就曾這樣做過，不過當時他們從頭到尾採用的均是完全人工的方法。在先前的實驗中，科學家們將信息編碼到一段DNA序列中，進行DNA合成，所有的信息依舊被保留在活體生物的範圍之外。在新的研究中。遺傳學家Seth Shipman和Jeff Nivala帶領著哈佛研究團隊，以一種完全不同的方式進行DNA數據儲存。

Nivala表示：「我們直接將信息寫入了基因組，相比完全合成的DNA數據儲存系統容量，我們目前能夠儲存的總體DNA數據較小，不過我們認為以基因組為基礎的信息儲存方式由許多潛在的優勢。」在他看來，這些優勢包括更高的保真度和直接與生物配合的能力。比如，科學家們可以教會一個細菌識別、提供信息乃至殺死它內部的其它微生物，或者提供一份基因表達記錄。Nivala說：「我們大約能儲存30-100位元組的信息，相比先前大約11位元組的容量而言，這一儲存容量已經很高。」

了做到這一點，研究人員們以CRISPR的形式利用了細菌的內置免疫系統，直接將數據寫入細菌細胞的基因組中。這使得被修飾的細菌能夠將這一定製信息傳遞給它的下一代，使得這種形式的生物數據儲存嫉妒有效且強大。Shipman和Nivala借用了細菌的內置免疫系統來實現這一點。每當病毒攻擊細菌的時候，CRISPR就會勤奮地在DNA中記錄這一事件，後來該細菌再次受到病毒攻擊的時候，它就能查找到這一事件。而它做到這一點的方式則是直接儲存濾過性毒菌的DNA，這被稱作基因間隔區。研究人員們在實驗中想要知道這些間隔區是否會被添加到特定序列中，並生成時間線。

他們發現這種間隔區的時間順序能夠形成分子記錄設備的基礎。在實驗中，較松的DNA片段被注射到具備CRISPR/cas9的大腸桿菌中。其中某些DNA片段並非隨意挑選，這些含有特定數據串的片段(即ATCG特定字母序列組合)是科學家們精心挑選的結果。這些片段被引入到細菌中之後，該細菌就會以一種連貫的線性方式有條不紊地將它們整合起來，以反映它們被引入的順序。科學家們僅增加了幾個間隔區來演示他們的理論，在其它間隔區可用的情況下，潛在的可能組合非常驚人。

Nivala說：「這些實驗為研發能用來監控長時間內分子事件的記錄系統奠定了基礎。比如，最終它能夠幫助我們了解某個細胞從健康走向疾病狀態期間，其基因條件出現了何種問題等。或者它也可以被用來記錄細胞外部環境信息，比如特定化學物質、毒素和病原體的存在。」該團隊將進一步提升這一系統，以便讓數據完全能夠儲存在單個細胞中，而不是必須藉助成堆的細胞對信息進行編碼和解碼。