2021年01月24日 新浪科技綜合

科學家將“Hello World”翻譯成鹼基語言，儲存到大腸桿菌的DNA中。|改編自ChemistryWorld

　　大資料時代，我們在網路上每一個動作，比如網上衝浪、觀看影片，甚至跑步、走路等日常行為，每分每秒都在產生大量資料。它們如一條條河流，匯聚成資料的汪洋大海。

　　如此大量的資訊如何儲存？珍貴的數字記憶要如何長久可靠地儲存？科學家們想到了一種方法，將資料寫入活細菌的DNA中！

　　最近，美國哥倫比亞大學的研究人員透過改變環境電壓，引導“基因魔剪” CRISPR-Cas系統，將“hello world”翻譯成鹼基語言，錄入大腸桿菌的DNA中。在繁衍80代以後，這些大腸桿菌體內儲存的資料仍然基本完好無損。

　　相關研究發表在1月11日的《自然·化學生物學》雜誌。

　　資料時代，儲存的革新

　　在地球生命系統中，DNA 可謂無處不在。自然將生命的遺傳資訊儲存在 DNA 中，人類也可以將資料資訊儲存其中。

　　計算機的二進位制語言只需要0和1兩個符號，即可編碼所有資訊。生命的本質也是一種語言，那就是由 A、T、C、G 四種鹼基串聯而成的 DNA ，四種鹼基的順序蘊藏著生命的資訊。

　　早在上世紀80年代末，就有人提出，或許可以將計算機的二進位制數字語言轉換成DNA的四種鹼基語言，從而將資料資訊儲存在DNA上。讀取時只要反向進行DNA測序即可。

　　相比於人類津津樂道的矽，DNA 簡直是資料儲存的理想載體。首先，DNA 的儲存密度非常大。如果我們能夠像大腸桿菌那樣包裝DNA，那麼全世界的資料資訊都可以儲存在1公斤重、只佔粉筆盒大小空間的一堆 DNA 中。

　　其次，一般物理儲存裝置使用壽命往往不到10年，DNA 則可將遺傳資訊完整儲存100年以上；如果是在零下18℃以下的低溫環境中，甚至可儲存上萬年、數十萬年。

　　第三，DNA 儲存過程耗能極少。要儲存同樣大小的資訊，DNA 的耗能量只相當於閃盤的億分之一。

　　人工合成 DNA 帶來希望

　　在實際操作中，二進位制數字語言要如何轉換成DNA的四種鹼基語言呢？2012年，哈佛大學遺傳學家喬治·丘奇團隊確立的規則是，用鹼基A、C編碼二進位制的0，G、T編碼二進位制的1。

　　經過簡單翻譯，一本包含大約5.34萬個單詞的書籍、11張JPG圖片、一段簡短的計算機程式，全部被編碼進不到億萬分之一克的DNA微晶片中。這些檔案大小相當於659千位元組。之後，研究人員利用 DNA 測序技術成功閱讀了這本書，雖然略有瑕疵地發現了22個錯誤。

　　幾個月後，歐洲生物資訊研究所採用另一種策略，同樣將大小為739千位元組的檔案寫入人工合成DNA中，讀取正確率接近100%。

　　這兩項研究讓人們看到了DNA儲存技術的希望，也開啟了研發熱潮。之後，儲存資料的大小不斷突破上限，從22兆位元組，到200兆位元組，再到維基百科所有16GB 的資料。

DNA資料儲存裝置。|Takahashi et al， 2019

　　不過，人工合成DNA資料儲存技術要實現商業化應用，還有一些重大問題要解決。

　　一是成本過高，目前人工合成儲存1兆位元組資料的DNA，需要3500美元，解碼過程還需要額外的1000美元。二是無論儲存還是讀取過程都需要專業裝置，個人使用極不方便。三是DNA儲存需要低溫環境，否則長時間容易發生 DNA 降解，導致資料失真或丟失。

　　活細菌蘊藏著新可能

　　既然人工合成 DNA 有缺陷，那能不能借用活細菌的 DNA 呢？比如大腸桿菌，在實驗室只需要少量的營養物質就能茁壯成長，成本應該也會低很多。

　　事實上，早在2017年，丘奇團隊就開創性地利用“基因魔剪” CRISPR–Cas 技術，將編碼資訊的DNA片段送入細菌體內。CRISPR–Cas 系統可以對任何DNA序列進行精準修改，如將鹼基A替換成鹼基G，或者刪除、插入、替換一段特異的DNA序列，就像我們使用 Word 軟體編輯文字一樣。

　　實驗中，丘奇團隊將一些黑白影象和一張飛馳駿馬動圖編碼為DNA序列，插入大腸桿菌的基因組中。在大腸桿菌經過多代繁殖後，研究人員仍然能夠還原動圖資訊，正確率達90%以上。

左邊是飛馳駿馬動圖的原圖， 右邊是將該動圖儲存在活細菌中，並經過多代繁殖後恢復的動圖。 |SETH SHIPMAN

　　這一次，哥倫比亞大學的研究人員則進一步發展了該方法。他們用電化學方法調控 CRISPR 系統看是否行使功能。需要儲存的二進位制資訊先被轉換為DNA序列，並插入環狀質粒（一種穩定的DNA環），然後隨質粒轉入大腸桿菌體內。

　　透過改變化學試劑的濃度，就可以改變細菌周圍的電壓，這時一些特定的環狀質粒複製數會顯著增加。CRISPR 系統感知到這種變化，並將質粒中的插入片段（目標DNA序列）寫入細菌基因組，在生物體內實現資料資訊的自動儲存——這就像為儲存動作設定了一個開關。

透過感受周圍電壓變化，大腸桿菌將質粒中的目標片段自動寫入基因組。|Sproetniek/iStock

　　為了研究該方法的可行性，研究人員將“hello world”錄入大腸桿菌的DNA中，並測試它們繁衍80代後，所攜帶的資訊是否仍然穩定，結果發現正確率達90%以上。他們還將大腸桿菌混入土壤微生物中，對混合物進行測序，仍然可以恢復儲存的資訊。

資訊編碼為DNA序列，之後或者直接匯入大腸桿菌中，或者先插入環狀質粒，再轉入大腸桿菌。|MDPI

　　當然，對活細菌儲存數字資訊的研究目前才剛剛開始，還有很多技術難題需要攻克。不過，隨著眾多科學家和大型企業的加入，這些技術難題將被一一解決。相信在不遠的將來，DNA資料儲存裝置將隨處可見。

　　那時，我們或許可以透過解碼存放在小試管裡或活細菌中的一段DNA，來閱讀一本科幻小說，聽一段搖滾樂，觀看一部大製作電影。甚至如今儲存在電子裝置中的任何檔案，將來都能在DNA資料儲存裝置中找到。