國際
2017.07.16 03:01

隨身碟容量不夠?存到大腸桿菌試試看!

哈佛團隊把GIF圖檔寫進了DNA

文|謝樹寬
美國亞特蘭大,掃描電子顯微鏡的大腸桿菌影像。(東方IC)
美國亞特蘭大,掃描電子顯微鏡的大腸桿菌影像。(東方IC)

大腸桿菌是人和動物體內最常見的細菌。不過這個看似平凡的微生物,除了偶爾叫人肚子作怪之外,也因為它易於編輯的基因組,帶給了人類許多貢獻。

從胰島素、抗生素、癌症藥物、生質燃油到人造橡膠,都和它有關。在未來,它可能還可能用來存放你的自拍!

在最新出版的《自然》期刊,哈佛大學的研究團隊把影像和GIF圖檔,成功編碼存入了大腸桿菌的DNA。

DNA曾被形容是最終極的資訊儲存器。把0與1的數位編碼轉化成編寫生命密碼的ACTG四個鹼基,就可以把資料儲存在DNA之中。它同時解決了儲存資料空間和時間的問題:DNA所需的空間微小,存放千年萬年也不易變質。

過去科學家曾經用DNA來編碼並儲存有587,287個字數的長篇小說《戰爭與和平》、收藏在挪威的斯瓦爾巴全球種子庫(Svalbard global seed vault)的所有植物清單、甚至是一張OK Go樂團的音樂專輯。

不過,現在科學家第一次創造了活體的圖書館——它內建在大腸桿菌裡。

在最新一期《自然》期刊,美國哈佛大學的研究團隊發表了最新的實驗。他們利用Crispr系統把編寫了照片和GIF圖檔程式的一小段DNA置入了大腸桿菌的基因組。隨後,研究人員把細菌的基因組排序後,成功讀取了原來的影像,和他們原本輸入的影像相比準確度達到90%。

哈佛大學的研究團隊把十九世紀英國攝影先驅邁布里奇(Eadweard Muybridge)拍攝影片的五個分格,寫進大腸桿菌的DNA,隨後排序重新讀取到這個GIF圖檔,確認細菌如預期把數據存入成為DNA的一部分。(Seth Shipman)
哈佛大學的研究團隊把十九世紀英國攝影先驅邁布里奇(Eadweard Muybridge)拍攝影片的五個分格,寫進大腸桿菌的DNA,隨後排序重新讀取到這個GIF圖檔,確認細菌如預期把數據存入成為DNA的一部分。(Seth Shipman)
原始的影像(左)存入DNA之後重新讀取(右),準確度達90%。(Seth Shipman)
原始的影像(左)存入DNA之後重新讀取(右),準確度達90%。(Seth Shipman)
攝影家邁布里奇拍攝的手掌原圖(左),從DNA儲存訊息還原的圖像(右)。(Seth Shipman)
攝影家邁布里奇拍攝的手掌原圖(左),從DNA儲存訊息還原的圖像(右)。(Seth Shipman)

Crispr(clustered regularly interspaced short palindromic repeats 中譯名「常間回文重複序列叢集」)聽似莫測高深,過去科學家利用它已經創造出各種令人驚奇的事物。不過,這些重大發現多僅限於基因專家和醫療領域。哈佛大學這次的研究,則希望將Crispr適用範圍擴大到醫療領域之外。

用比較簡單的比喻,Crispr相關的蛋白酶(這次的案例中使用的是Cas1和Cas2) 作用就像電腦上「剪下、貼上」的快速鍵。科學家可以選定特定一小段的DNA,將它剪下來動手修改、甚至整段代換。

奔馳的馬兒的GIF因為它的動態特質,要比靜態的圗檔要更加複雜。藉由Cas1和Cas2排序的能力,研究人員把GIF圖檔逐格的時序編碼寫進活的細菌基因組。

特別值得注意的是,細菌會持續分裂繁殖,所以它基因裡儲存的數據將透過遺傳物質傳遞給它的後代。

哈佛研究團隊利用號稱「基因魔剪」的Crisper,把活的細胞變成數位的數據儲存庫。不過,報告的共同作者尼瓦拉(Jeff Nivala)說,他們主要的目標不只是用它來幫人們保存影像訊息,而是希望把神經元這類人體細胞,變成生物的紀錄器。

哈佛研究團隊利用號稱「基因魔剪」的Crisper,把活的細胞變成數位的數據儲存庫。不過,報告的共同作者尼瓦拉(Jeff Nivala)說,他們主要的目標不只是用它來幫人們保存影像訊息,而是希望把神經元這類人體細胞,變成生物的紀錄器。

按照Crisper系統作用的方式,當病毒入侵細胞時,Cas1和Cas2蛋白酶會出動,攫取一小段攻擊病毒的DNA放入細胞的基因組。每次遇到新的攻擊,它們會按照時間順序加入,這讓細胞的基因組成了時間的紀錄器,猶如用來研究地質史的冰芯(ice core)。

尼瓦拉說,科學家未來也許能利用這個Crispr系統來紀錄神經的「突觸活動」(synaptic activity),也就是神經元之間的訊息交換的歷史。「就像是婚禮上的賓客簽名簿一樣」,尼瓦拉認為在基因組嵌入的訊號,可告訴研究者在不同時間、回應不同的刺激時,哪些神經元互相對話。論文的首席作者希普曼(Seth Shipman)相信,未來任何人想要了解這個細胞的行為或是在特定一段時間裡細胞與環境的互動情況,都可以讀取和重新播放紀錄。

如果你把細胞想像成一個處理器,那麼它就是加了一個隨身碟,可以儲存資訊留待稍後處理。
微軟公司DNA儲存計畫首席研究員史特勞斯(Karin Strauss)

實驗色彩濃厚的OK Go樂團,曾經將專輯《Hungry Ghost》編碼存入DNA。

以DNA儲存數位訊息,如今成了熱門研究。去年微軟公司創下了DNA儲存資料的新紀錄—— 200MB。微軟也計畫在2020年之前,建構DNA的儲存系統。

一些DNA客製化的公司如Twist Biosciences,也開始出售DNA給客戶做儲存訊息用途。不過這只佔公司業務的極小一部份(約5%)。專家估計,它的儲存成本可能還需要降到現今的萬分之一,才具備和傳統儲存方式競爭的能力。

不過從長遠角度來看,它的利益非常巨大。因為在低溫乾燥的環境下適當保存,DNA儲存的數據可保至少十萬年無恙。

歐洲生物資訊研究院的主任博尼(Ewan Birney),認為哈佛團隊的研究報告「很妙」,不過活的細胞並不是讓DNA儲存真正達到產業規模的發展方向,因為活細胞可能經歷一段時間後產生基因的突變。他說:「讓我真正印象深刻的,是它編碼達成的高保真度。它確實是Crispr的經典傑作。」

參考資料:

Scientists Upload a Galloping Horse GIF Into Bacteria With Crispr(Wired)

Gif and image written into the DNA of bacteria(BBC)

Scientists have inserted a GIF of a horse into living bacteria — did your brain just explode?(TechCrunch)

更新時間|2017.07.31 03:21

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