◎ 科技日報記者 馮衛東
據最新一期《自然·化學生物學》雜誌報導，美國研究人員通過CRISPR技術，將數字電子信號直接轉換為存儲在活細胞基因組中的遺傳數據，這或是邁向開發用於長期數據存儲的新介質的關鍵一步。
美國哥倫比亞大學研究團隊使用CRISPR基因編輯技術，將編碼二進位數據（計算機用來存儲數據的1和0）的特定DNA序列插入細菌細胞。通過將這些DNA序列的不同排列分配給不同英文字母，研究人員將文本消息「hello world！」成功編碼進了大腸桿菌細胞內的DNA中。研究團隊隨後通過提取和測序細菌DNA解碼了該消息。
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該項工作建立在研究團隊先前為大腸桿菌設計的基於CRISPR的細胞記錄儀的基礎上，該記錄儀檢測細胞內某些DNA序列的存在並將該信號記錄到生物體的基因組中。該系統包括一個基於DNA的「傳感模塊」，該模塊響應特定的生物信號而產生高水平的「觸發序列」。這些序列被併入記錄儀的「DNA錄音帶」中以記錄信號。
研究團隊在新研究中對傳感模塊進行了改裝，使其可以與另一個對電信號作出反應的生物傳感器配合使用。然後將大量細菌放入由一系列小單元組成的設備中，並暴露於電信號下。
當施加電壓時，觸發序列的水平升高，並記錄在DNA條形記錄帶中。將具有高比例觸發序列的延伸片段表示為二進位「 1」，缺少這些序列則記為「 0」，由此可將數字信息直接編碼到細菌的基因組中。
一個單元可以容納的數據量很小，只有3位。因此，研究人員設計了一種方法，可以同時對具有不同3位數據的24個單獨細菌群進行編碼，共計72位。研究人員用它將文本消息「hello world！」編碼入細菌，並演示了對合併菌群進行測序並使用專門設計的分類器，可以98％的準確率檢索到該信息。
大腸桿菌將電脈衝轉化成存儲在其基因組中的DNA片段。圖片來源：Sproetniek/iStock
72位元離現代硬碟驅動器的存儲容量還差得很遠，甚至無細胞的DNA存儲技術目前也可以處理幾千億字節。但研究人員表示，活細胞內的DNA是一種更穩定的介質，可以在無法預測的條件下長期保存。保留在細胞外部的DNA可能被降解，而細菌具有適應環境變化的能力，並且可在惡劣的條件下生存。將數據存儲在細胞中而不是在體外具有許多明顯的好處。放大或複製數據要便宜得多，因為可以簡單地培養更多的細胞，而不必進行複雜的人工DNA合成，從而在短期內就可將系統的容量大規模擴展幾個數量級。
不過，也有研究人員表示，隨著細菌的適應和變化，其DNA也會發生變化。這些變化可能會影響編碼信息。其中一個主要的錯誤來源是細胞複製過程中DNA的突變。雖然該成果距離替代當前數字存儲設備還有很長的路要走，但這或是重要的一步。
來源：科技日報
編輯：張琦琪
審核：王小龍
終審：冷文生