CRISPR技術(shù)將數(shù)據(jù)存入活細(xì)胞DNA 助力長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)新介質(zhì)開發(fā)

據(jù)最新一期《自然·化學(xué)生物學(xué)》雜志報(bào)道，美國(guó)研究人員通過(guò)CRISPR技術(shù)，將數(shù)字電子信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)在活細(xì)胞基因組中的遺傳數(shù)據(jù)，這或是邁向開發(fā)用于長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)新介質(zhì)的關(guān)鍵一步。

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用CRISPR基因編輯技術(shù)，將編碼二進(jìn)制數(shù)據(jù)(計(jì)算機(jī)用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的1和0)的特定DNA序列插入細(xì)菌細(xì)胞。通過(guò)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(jìn)了大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)的DNA中。研究團(tuán)隊(duì)隨后通過(guò)提取和測(cè)序細(xì)菌DNA解碼了該消息。

該項(xiàng)工作建立在研究團(tuán)隊(duì)先前為大腸桿菌設(shè)計(jì)的基于CRISPR的細(xì)胞記錄儀的基礎(chǔ)上，該記錄儀檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)某些DNA序列的存在并將該信號(hào)記錄到生物體的基因組中。該系統(tǒng)包括一個(gè)基于DNA的“傳感模塊”，該模塊響應(yīng)特定的生物信號(hào)而產(chǎn)生高水平的“觸發(fā)序列”。這些序列被并入記錄儀的“DNA錄音帶”中以記錄信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)在新研究中對(duì)傳感模塊進(jìn)行了改裝，使其可以與另一個(gè)對(duì)電信號(hào)作出反應(yīng)的生物傳感器配合使用。然后將大量細(xì)菌放入由一系列小單元組成的設(shè)備中，并暴露于電信號(hào)下。

當(dāng)施加電壓時(shí)，觸發(fā)序列的水平升高，并記錄在DNA條形記錄帶中。將具有高比例觸發(fā)序列的延伸片段表示為二進(jìn)制“1”，缺少這些序列則記為“0”，由此可將數(shù)字信息直接編碼到細(xì)菌的基因組中。

一個(gè)單元可以容納的數(shù)據(jù)量很小，只有3位。因此，研究人員設(shè)計(jì)了一種方法，可以同時(shí)對(duì)具有不同3位數(shù)據(jù)的24個(gè)單獨(dú)細(xì)菌群進(jìn)行編碼，共計(jì)72位。研究人員用它將文本消息“hello world!”編碼入細(xì)菌，并演示了對(duì)合并菌群進(jìn)行測(cè)序并使用專門設(shè)計(jì)的分類器，可以98%的準(zhǔn)確率檢索到該信息。

研究人員表示，活細(xì)胞內(nèi)的DNA是一種更穩(wěn)定的介質(zhì)，可以在無(wú)法預(yù)測(cè)的條件下長(zhǎng)期保存。保留在細(xì)胞外部的DNA可能被降解，而細(xì)菌具有適應(yīng)環(huán)境變化的能力，并且可在惡劣的條件下生存。將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在細(xì)胞中而不是在體外具有許多明顯的好處。放大或復(fù)制數(shù)據(jù)要便宜得多，因?yàn)榭梢院?jiǎn)單地培養(yǎng)更多的細(xì)胞，而不必進(jìn)行復(fù)雜的人工DNA合成，從而在短期內(nèi)就可將系統(tǒng)的容量大規(guī)模擴(kuò)展幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

總編輯圈點(diǎn)

基因物質(zhì)本身就具備天然的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，因此“活細(xì)胞硬盤”的想法，科學(xué)家早已有之。但在實(shí)際操作中，這一方式距離傳統(tǒng)硬盤的存儲(chǔ)容量還有距離。不過(guò)，活細(xì)胞一直能被視為下一代存儲(chǔ)設(shè)備中的潛力股，原因就是它的穩(wěn)定與長(zhǎng)期存儲(chǔ)特性，科學(xué)家寄希望于未來(lái)可利用其進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的分子事件記錄和監(jiān)控，從而進(jìn)一步成為人類研究癌癥、衰老和有機(jī)體發(fā)展等的強(qiáng)大工具。(記者馮衛(wèi)東)