细胞也当硬盘？科学家成功将数据“写入”活细胞DNA

◎ 科技日报记者 冯卫东

据最新一期《自然·化学生物学》杂志报道，美国研究人员通过CRISPR技术，将数字电子信号直接转换为存储在活细胞基因组中的遗传数据，这或是迈向开发用于长期数据存储的新介质的关键一步。

美国哥伦比亚大学研究团队使用CRISPR基因编辑技术，将编码二进制数据（计算机用来存储数据的1和0）的特定DNA序列插入细菌细胞。通过将这些DNA序列的不同排列分配给不同英文字母，研究人员将文本消息“hello world！”成功编码进了大肠杆菌细胞内的DNA中。研究团队随后通过提取和测序细菌DNA解码了该消息。

该项工作建立在研究团队先前为大肠杆菌设计的基于CRISPR的细胞记录仪的基础上，该记录仪检测细胞内某些DNA序列的存在并将该信号记录到生物体的基因组中。该系统包括一个基于DNA的“传感模块”，该模块响应特定的生物信号而产生高水平的“触发序列”。这些序列被并入记录仪的“DNA录音带”中以记录信号。

研究团队在新研究中对传感模块进行了改装，使其可以与另一个对电信号作出反应的生物传感器配合使用。然后将大量细菌放入由一系列小单元组成的设备中，并暴露于电信号下。

当施加电压时，触发序列的水平升高，并记录在DNA条形记录带中。将具有高比例触发序列的延伸片段表示为二进制“ 1”，缺少这些序列则记为“ 0”，由此可将数字信息直接编码到细菌的基因组中。

一个单元可以容纳的数据量很小，只有3位。因此，研究人员设计了一种方法，可以同时对具有不同3位数据的24个单独细菌群进行编码，共计72位。研究人员用它将文本消息“hello world！”编码入细菌，并演示了对合并菌群进行测序并使用专门设计的分类器，可以98％的准确率检索到该信息。

大肠杆菌将电脉冲转化成存储在其基因组中的DNA片段。图片来源：Sproetniek/iStock

72位元离现代硬盘驱动器的存储容量还差得很远，甚至无细胞的DNA存储技术目前也可以处理几千亿字节。但研究人员表示，活细胞内的DNA是一种更稳定的介质，可以在无法预测的条件下长期保存。保留在细胞外部的DNA可能被降解，而细菌具有适应环境变化的能力，并且可在恶劣的条件下生存。将数据存储在细胞中而不是在体外具有许多明显的好处。放大或复制数据要便宜得多，因为可以简单地培养更多的细胞，而不必进行复杂的人工DNA合成，从而在短期内就可将系统的容量大规模扩展几个数量级。

不过，也有研究人员表示，随着细菌的适应和变化，其DNA也会发生变化。这些变化可能会影响编码信息。其中一个主要的错误来源是细胞复制过程中DNA的突变。虽然该成果距离替代当前数字存储设备还有很长的路要走，但这或是重要的一步。

来源：科技日报