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CRISPR技术将数据存入活细胞DNA

作者:     发布日期: 2021-01-15     二维码分享

据*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。

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。

总编辑圈点

基因物质本身就具备天然的数据存储介质,因此“活细胞硬盘”的想法,科学家早已有之。但在实际操作中,这一方式距离传统硬盘的存储容量还有距离。不过,活细胞一直能被视为下一代存储设备中的潜力股,原因就是它的稳定与长期存储特性,科学家寄希望于未来可利用其进行长时间的分子事件记录和监控,从而进一步成为人类研究癌症、衰老和有机体发展等的强大工具。(记者冯卫东)

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