將GIF動圖轉存到了大腸桿菌：DNA能像硬碟一樣存儲信息

07-17

這個gif圖的內容是一個人騎著馬狂奔時的情景，它只有5幀圖像，36x26個像素大小。Shipman和他的同事使用CRISPR–Cas系統把這個gif圖存進一群細菌的基因組中，並發現，他們目前存取信息的準確度能達到90%左右。

細菌大腸桿菌有時會使我們生病，但它們已經成為科學的主力。哈佛大學研究人員在「自然」雜誌發表的一份報告中表明，可以將圖像和電影轉存、嵌入到活體大腸桿菌細胞的DNA中。

左邊是「Anna G」馬賽克動圖的框架，它們被編碼成核苷酸，並由Crispr基因編輯技術依次實驗捕獲，將其植入活性細菌的DNA當中；右邊是多代細菌生長後的框架。

實際上，使用DNA存儲數據並不新鮮，我們早就已經聽說過「基因能夠儲存大量信息」的概念。據Xtecher了解，此前也有科學家嘗試過將近60萬字的《戰爭與和平》小說嵌入其中，以及像斯瓦爾巴全球種子庫的植物材料歸檔那樣。不過它們都是合成DNA，而不是本次這樣的活細菌DNA。

除存了一張人騎著馬狂奔的Gif圖，研究人員還嘗試在這群細菌中存了一張人手的照片。上圖是其編碼、存儲和讀取信息的過程。

DNA的特點是能夠在生物體內高保真地複製，從而保證其正確地被傳遞下去。但細胞總是在變化，因此將信息存在活細菌DNA當中更加困難。

但如何將這一信息存入大腸桿菌呢？

要解決兩個問題：首先是如何編碼，然後是如何將這些電報一樣的編碼轉入，並穩定地儲存在大腸桿菌中。

DNA是包括人在內很多生命體的遺傳物質，儲存著生命最重要的遺傳信息。作為生物細胞中最穩定的成分之一，長長的DNA序列由一個個核苷酸組成。在人類基因組中，三個核苷酸代表一個語義。

研究人員在一群大腸桿菌中存儲了一張gif圖：一個人騎著馬狂奔。上圖是其編碼、存儲和讀取信息的過程。

在希普曼的研究中，他們也用核苷酸生成代碼，一個代碼關聯一張圖片中單個像素。也就是說，每個像素都對應著多個核苷酸組成的DNA序列。

視頻由一張張按時間順序出現的圖像組成，單張圖像被解構成像素代碼，對應著核苷酸序列。

研究人員合成了代表上述圖像的DNA序列，通過電穿孔技術，把這些DNA轉入大腸桿菌中。在CRISPR-Cas系統的幫助下，這些DNA被整合到大腸桿菌基因組中。一旦整合，就實現了信息的存儲。

Shipman表示：「我們發現，如果我們讓自己提供的序列看起來像是系統通常從細胞中獲取的那樣，這些序列通常會採取我們提供的編碼。」

一旦信息嵌入細菌，下一步就是測序。因此，該研究小組對大腸桿菌的DNA進行了測序，並通過計算機程序運行序列，從而成功複製了原始圖像。因此，您在文章一開頭看到的「賓士的駿馬」就是計算機對DNA序列的測試，畢竟，我們不能用肉眼看到DNA。

圖像和視頻的選擇並不是隨機的，Shipma表示該團隊希望參考一些人類曾經放在自然界中的原始形象，比如現在團隊手中的洞穴畫。Muybridge電影的五幀動圖也是此次動態影像之一，圖中一匹馳騁的駿馬，這使用了20世紀70年代的新技術。Shipman表示，「我們還將以新的方式將信息編碼到自然界，並嘗試和測試新的東西」。

只是，到目前為止，這種方式無法處理大量的信息。文章一開始的動圖只有36*26像素，如果我們想在合成DNA存儲更長的電影和書籍，未來還有很長的路要走。

但使用活細菌編碼存儲的新方法打開了令人興奮的大門，也證明了活細菌DNA存儲的可能性。例如，我們可以使細胞記錄附近環境中發生的情況。作為神經科學家，Shipman希望有一天可以將Crispr系統用於記錄隨時間發生的事件，例如神經元在大腦中的形成。是的，也許未來有一天，你可以將《權力遊戲》嵌入你的皮膚當中。

據Xtecher了解，Crispr 被認為是下一個重大科學應用，它能夠安全地切開一段 DNA，並將新基因材料拼接上去。其應用領域非常廣泛，甚至在未來還能切除致病基因片段、添加健康材料，攻克癌症等等。