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大肠杆菌 细菌可以将电脉冲转换为基因组中存储的DNA片段。

Sproetniek / iStock

科学家“编程”活细菌以存储数据

硬盘和光盘驱动器只需按一下按钮即可存储数千兆字节的数字数据。但是,当这些技术(如磁带和软盘驱动器)被新技术所取代时,它们容易变得过时且无法读取。现在,研究人员想出了一种将数据电子写入活细菌DNA的方法,这种存储选项不太可能很快就淘汰。

格拉德斯通研究所和加利福尼亚大学旧金山分校的生物工程师塞思·希普曼说:“这是一个非常好的步骤,可能有一天会刺激商业发展。”他没有参与这项新工作。但是,他指出,现实世界中的应用还有很长的路要走。

由于多种原因,DNA对于数据存储具有吸引力。首先,它的密度是最紧凑型硬盘的1000倍以上,使它能够在一口盐的体积内存储相当于10部全长数字电影。而且由于DNA对于生物学至关重要,因此随着时间的推移,读取和写入DNA的技术将变得越来越便宜和强大。

在DNA中存储数据并不是一个新主意。为此,研究人员通常将数据文件的一串数字1和零转换为该分子的四个碱基的组合:腺嘌呤,鸟嘌呤,胞嘧啶和胸腺嘧啶。然后,他们使用DNA合成器将该代码写入DNA。但是,DNA合成的准确性随着代码获取时间的延长而降低,因此研究人员通常将其文件分成多个块,然后将其写入200至300个碱基长的DNA片段中。每个片段都有一个索引,以标识其在文件中的位置,然后DNA测序仪读取这些片段以重新组装文件。但是这项技术很昂贵,合成1兆位信息的成本高达3500美元。存储信息的DNA小瓶会随着时间而降解。

为了创建一种持久,易于编码的介质,研究人员正在努力将数据写入活生物体的DNA中,然后将其基因复制并传递给下一代。 2017年,由哥伦比亚大学系统生物学家Harris Wang领导的团队使用CRISPR基因编辑系统识别生物信号,例如果糖的存在。当研究人员将果糖添加到 大肠杆菌 细胞中,基因表达在称为质粒的环状DNA片段中增加。

接下来,CRISPR成分进化为保护细菌免受病毒入侵者的侵害,将过表达的质粒切成碎片,并将其中的一些放入到细菌DNA的特定部分,以“记住”先前的病毒入侵者。插入的遗传位代表数字位。如果没有果糖信号,则细菌会存储随机的DNA比特,表示数字零。排序 大肠杆菌 DNA随后通过一个DNA揭示了细菌是否暴露于果糖。 or zero.

但是由于这种设置只能存储少量数据,因此Wang和他的同事们用一种可以编码更长信息串的电子设备代替了果糖识别系统:电子输入。他们将一系列基因插入 大肠杆菌 使细胞能够响应电压而增加质粒表达。与果糖设置一样,表达的增加导致数字 储存在细菌的DNA中。为了读出一和零,研究人员只需对细菌进行测序即可。

使用这种方法,王和他的同事进行了电编码 高达72位数据,写下消息“ Hello world!”他们今天在 自然化学生物学。他们还表明,他们可以添加 大肠杆菌 将其信息传递给正常土壤微生物的混合物,然后对混合物进行排序以恢复其存储的信息。

王说,将数据存储在生物体中还为时过早。他说:“我们不会与当前的存储系统竞争。”研究人员还需要想出办法,防止细菌复制时其突变导致其信息降解。但是至少到目前为止,它可能会为詹姆斯·邦德提供一种新工具,以使信息隐藏起来。