將數(shù)據(jù)存到DNA里！全世界的信息只有1公斤重

大數(shù)據(jù)時代，我們在網(wǎng)絡(luò)上每一個動作，比如網(wǎng)上沖浪、觀看視頻，甚至跑步、走路等日常行為，每分每秒都在產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。它們?nèi)缫粭l條河流，匯聚成數(shù)據(jù)的汪洋大海。

如此大量的信息如何存儲?珍貴的數(shù)字記憶要如何長久可靠地保存?科學(xué)家們想到了一種方法，將數(shù)據(jù)寫入活細(xì)菌的DNA中!

最近，美國哥倫比亞大學(xué)的研究人員通過改變環(huán)境電壓，引導(dǎo)“基因魔剪” CRISPR-Cas系統(tǒng)，將“hello world”翻譯成堿基語言，錄入大腸桿菌的DNA中。在繁衍80代以后，這些大腸桿菌體內(nèi)儲存的數(shù)據(jù)仍然基本完好無損。

相關(guān)研究發(fā)表在1月11日的《自然·化學(xué)生物學(xué)》雜志。

數(shù)據(jù)時代，存儲的革新

在地球生命系統(tǒng)中，DNA 可謂無處不在。自然將生命的遺傳信息存儲在 DNA 中，人類也可以將數(shù)據(jù)信息存儲其中。

計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制語言只需要0和1兩個符號，即可編碼所有信息。生命的本質(zhì)也是一種語言，那就是由 A、T、C、G 四種堿基串聯(lián)而成的 DNA ，四種堿基的順序蘊(yùn)藏著生命的信息。

早在上世紀(jì)80年代末，就有人提出，或許可以將計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制數(shù)字語言轉(zhuǎn)換成DNA的四種堿基語言，從而將數(shù)據(jù)信息存儲在DNA上。讀取時只要反向進(jìn)行DNA測序即可。

數(shù)據(jù)信息可以存儲在DNA中，也可以反過來從DNA中讀取數(shù)據(jù)信息。|來自網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息可以存儲在DNA中，也可以反過來從DNA中讀取數(shù)據(jù)信息。|來自網(wǎng)絡(luò)

相比于人類津津樂道的硅，DNA 簡直是數(shù)據(jù)存儲的理想載體。首先，DNA 的存儲密度非常大。如果我們能夠像大腸桿菌那樣包裝DNA，那么全世界的數(shù)據(jù)信息都可以儲存在1公斤重、只占粉筆盒大小空間的一堆 DNA 中。

其次，一般物理存儲設(shè)備使用壽命往往不到10年，DNA 則可將遺傳信息完整保存100年以上;如果是在零下18℃以下的低溫環(huán)境中，甚至可保存上萬年、數(shù)十萬年。

第三，DNA 存儲過程耗能極少。要存儲同樣大小的信息，DNA 的耗能量只相當(dāng)于閃盤的億分之一。

人工合成 DNA 帶來希望

在實(shí)際操作中，二進(jìn)制數(shù)字語言要如何轉(zhuǎn)換成DNA的四種堿基語言呢?2012年，哈佛大學(xué)遺傳學(xué)家喬治·丘奇團(tuán)隊(duì)確立的規(guī)則是，用堿基A、C編碼二進(jìn)制的0，G、T編碼二進(jìn)制的1。

經(jīng)過簡單翻譯，一本包含大約5.34萬個單詞的書籍、11張JPG圖片、一段簡短的計(jì)算機(jī)程序，全部被編碼進(jìn)不到億萬分之一克的DNA微芯片中。這些文件大小相當(dāng)于659千字節(jié)。之后，研究人員利用 DNA 測序技術(shù)成功閱讀了這本書，雖然略有瑕疵地發(fā)現(xiàn)了22個錯誤。

幾個月后，歐洲生物信息研究所采用另一種策略，同樣將大小為739千字節(jié)的文件寫入人工合成DNA中，讀取正確率接近100%。

這兩項(xiàng)研究讓人們看到了DNA存儲技術(shù)的希望，也開啟了研發(fā)熱潮。之后，存儲數(shù)據(jù)的大小不斷突破上限，從22兆字節(jié)，到200兆字節(jié)，再到維基百科所有16GB 的數(shù)據(jù)。

DNA數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。|Takahashi et al， 2019DNA數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。|Takahashi et al， 2019

不過，人工合成DNA數(shù)據(jù)存儲技術(shù)要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，還有一些重大問題要解決。

一是成本過高，目前人工合成存儲1兆字節(jié)數(shù)據(jù)的DNA，需要3500美元，解碼過程還需要額外的1000美元。二是無論存儲還是讀取過程都需要專業(yè)設(shè)備，個人使用極不方便。三是DNA保存需要低溫環(huán)境，否則長時間容易發(fā)生 DNA 降解，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真或丟失。

活細(xì)菌蘊(yùn)藏著新可能

既然人工合成 DNA 有缺陷，那能不能借用活細(xì)菌的 DNA 呢?比如大腸桿菌，在實(shí)驗(yàn)室只需要少量的營養(yǎng)物質(zhì)就能茁壯成長，成本應(yīng)該也會低很多。

事實(shí)上，早在2017年，丘奇團(tuán)隊(duì)就開創(chuàng)性地利用“基因魔剪” CRISPR–Cas 技術(shù)，將編碼信息的DNA片段送入細(xì)菌體內(nèi)。CRISPR–Cas 系統(tǒng)可以對任何DNA序列進(jìn)行精準(zhǔn)修改，如將堿基A替換成堿基G，或者刪除、插入、替換一段特異的DNA序列，就像我們使用 Word 軟件編輯文字一樣。

實(shí)驗(yàn)中，丘奇團(tuán)隊(duì)將一些黑白圖像和一張飛馳駿馬動圖編碼為DNA序列，插入大腸桿菌的基因組中。在大腸桿菌經(jīng)過多代繁殖后，研究人員仍然能夠還原動圖信息，正確率達(dá)90%以上。

左邊是飛馳駿馬動圖的原圖， 右邊是將該動圖存儲在活細(xì)菌中，并經(jīng)過多代繁殖后恢復(fù)的動圖。 |SETH SHIPMAN左邊是飛馳駿馬動圖的原圖， 右邊是將該動圖存儲在活細(xì)菌中，并經(jīng)過多代繁殖后恢復(fù)的動圖。 |SETH SHIPMAN

這一次，哥倫比亞大學(xué)的研究人員則進(jìn)一步發(fā)展了該方法。他們用電化學(xué)方法調(diào)控 CRISPR 系統(tǒng)看是否行使功能。需要存儲的二進(jìn)制信息先被轉(zhuǎn)換為DNA序列，并插入環(huán)狀質(zhì)粒(一種穩(wěn)定的DNA環(huán))，然后隨質(zhì)粒轉(zhuǎn)入大腸桿菌體內(nèi)。

通過改變化學(xué)試劑的濃度，就可以改變細(xì)菌周圍的電壓，這時一些特定的環(huán)狀質(zhì)粒拷貝數(shù)會顯著增加。CRISPR 系統(tǒng)感知到這種變化，并將質(zhì)粒中的插入片段(目標(biāo)DNA序列)寫入細(xì)菌基因組，在生物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動存儲——這就像為存儲動作設(shè)置了一個開關(guān)。

通過感受周圍電壓變化，大腸桿菌將質(zhì)粒中的目標(biāo)片段自動寫入基因組。|Sproetniek/iStock通過感受周圍電壓變化，大腸桿菌將質(zhì)粒中的目標(biāo)片段自動寫入基因組。|Sproetniek/iStock

為了研究該方法的可行性，研究人員將“hello world”錄入大腸桿菌的DNA中，并測試它們繁衍80代后，所攜帶的信息是否仍然穩(wěn)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)正確率達(dá)90%以上。他們還將大腸桿菌混入土壤微生物中，對混合物進(jìn)行測序，仍然可以恢復(fù)存儲的信息。

信息編碼為DNA序列，之后或者直接導(dǎo)入大腸桿菌中，或者先插入環(huán)狀質(zhì)粒，再轉(zhuǎn)入大腸桿菌。|MDPI信息編碼為DNA序列，之后或者直接導(dǎo)入大腸桿菌中，或者先插入環(huán)狀質(zhì)粒，再轉(zhuǎn)入大腸桿菌。|MDPI

當(dāng)然，對活細(xì)菌存儲數(shù)字信息的研究目前才剛剛開始，還有很多技術(shù)難題需要攻克。不過，隨著眾多科學(xué)家和大型企業(yè)的加入，這些技術(shù)難題將被一一解決。相信在不遠(yuǎn)的將來，DNA數(shù)據(jù)存儲設(shè)備將隨處可見。

那時，我們或許可以通過解碼存放在小試管里或活細(xì)菌中的一段DNA，來閱讀一本科幻小說，聽一段搖滾樂，觀看一部大制作電影。甚至如今存儲在電子設(shè)備中的任何文件，將來都能在DNA數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中找到。

來源：十點(diǎn)科學(xué)

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