◎ 科技日報記者 馮衛(wèi)東

美國哥倫比亞大學(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)用來存儲數(shù)據(jù)的1和0）的特定DNA序列插入細(xì)菌細(xì)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(jìn)了大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)的DNA中,。研究團(tuán)隊(duì)隨后通過提取和測序細(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，該記錄儀檢測細(xì)胞內(nèi)某些DNA序列的存在并將該信號記錄到生物體的基因組中,。該系統(tǒng)包括一個基于DNA的“傳感模塊”,，該模塊響應(yīng)特定的生物信號而產(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。

研究團(tuán)隊(duì)在新研究中對傳感模塊進(jìn)行了改裝,，使其可以與另一個對電信號作出反應(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，并暴露于電信號下,。

當(dāng)施加電壓時,，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,，可以同時對具有不同3位數(shù)據(jù)的24個單獨(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，并演示了對合并菌群進(jìn)行測序并使用專門設(shè)計(jì)的分類器,，可以98％的準(zhǔn)確率檢索到該信息,。

大腸桿菌將電脈沖轉(zhuǎn)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(xiàn)代硬盤驅(qū)動器的存儲容量還差得很遠(yuǎn),，甚至無細(xì)胞的DNA存儲技術(shù)目前也可以處理幾千億字節(jié),。但研究人員表示，活細(xì)胞內(nèi)的DNA是一種更穩(wěn)定的介質(zhì),，可以在無法預(yù)測的條件下長期保存,。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)榭梢院唵蔚嘏囵B(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)展幾個數(shù)量級,。

不過，也有研究人員表示,，隨著細(xì)菌的適應(yīng)和變化,，其DNA也會發(fā)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(xì)胞復(fù)制過程中DNA的突變,。雖然該成果距離替代當(dāng)前數(shù)字存儲設(shè)備還有很長的路要走,，但這或是重要的一步。