在活体生物的DNA中存取并读取视频信息？这不是科幻，而是正在进行的研究。7月13日，在线发表在国际学术期刊Nature上的一篇研究论文显示：美国哈佛大学医学院的研究人员将一部视频短片（gif图）存进了活的大肠杆菌的DNA里。
这张图显示了来自《人类和动物的运动》中名为Annie G的马奔跑的5帧影像，大小为36x26像素
左图显示的是一帧帧母马AnnaG奔驰的画面，右图是细菌经数次生长后，研究者利用测序细菌DNA重构的图像（图片来源： NIH）
1 首次！“小电影”被科学家刻进了活细菌的DNA
7月13日，来自哈佛大学的Seth L. Shipman、 George M. Church等科学家利用CRISPR系统，将埃德沃德·迈布里奇（Eadweard J. Muybridge）的《人类和动物的运动》中收录的图片和一部视频短片（gif 图）编码进了细菌的DNA中。这项研究成果以“CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria”（《利用CRISPR Cas系统把一部数字电影存入一群活细菌的基因组中》）为题，在线发表在国际学术期刊Nature（《自然》）上。
“Molecular Recorder” would reveal secrets of brain development
2 “分子记录器”迈出的重要一步
在此之前，已经有人证实：DNA是将数据存储进活细胞的一种可靠媒介，而此次则是在此基础上的进一步应用拓展。
据悉，这个过程分为三大步骤：
1）研究者使用DNA的基本组成核苷酸生成代码，一个代码关联一张图片的单个像素；
An image into the genome
2）他们将gif序列逐帧传至活细菌，并按传输顺序将它们插入细菌基因组中；
Sequence determinants of acquisition
3）一旦被插入大肠杆菌的基因组中之后，这些数据可以再通过测序DNA重新提取出来，通过读取像素核苷酸代码，可以将图片重构出来，准确度达90%左右。
Encoding a GIF in bacteria
研究人员合成了代表上述图像的DNA序列，通过电穿孔技术，把这些DNA转入大肠杆菌中。在CRISPR-Cas系统的帮助下，这些DNA被整合到大肠杆菌基因组中。一旦整合，就实现了信息的存储。
3 CRISPR技术起关键性作用
将“电影片段”刻进活细菌的DNA看似容易，但事实上为了开发这样一个系统，需要建立一种记录数百个事件的方法。Shipman和包括哈佛大学著名遗传学家George Church在内的同事们，利用著名的CRISPR–CAS免疫系统，使得研究人员准确编辑基因组相对更容易。
Shipman的团队利用从入侵病毒捕获的DNA片段并将它们存储在宿主基因组中的有序阵列上；自然地，这些片段可针对一种酶来切割入侵者的DNA（这是典型的遗传学家由于基因编辑的目标DNA切割）。
团队设计了这一系统，使这些片段对应于图像中的像素。研究人员对每个像素的阴影进行编码，并在图像中显示其位置的条形码，并将其分成33个DNA字母，电影的每一帧由104个DNA片段组成。
于是乎，一只手（左）的图像被编码成细菌DNA，然后经过许多代细菌生长后被提取出来。据悉，研究团队以每天5帧的速度将DNA导入大肠杆菌，然后研究人员通过基因测序将细菌群体图像恢复。
这不仅表明CRISPR系统有望使在活细胞中存储一定数量数据成为可能，而且揭示了有关CRISPR系统功能的新认知。例如，作者确定了哪些序列最适合将数据传输至基因组，而这也有望指导CRISPR系统的其它应用。
4 把细胞变成历史学家
《自然》期刊官网报道称，美国北卡罗莱纳州半导体企业家Victor Zhirnov表示，这项研究是一个革命性成果，“就像是1903年人类发明的第一架飞机，从那时起，10年后，人类拥有的飞机，和今天我们拥有的很相像了。”
文章的第一作者、神经学家、哈佛医学院博士后研究员Seth Shipman则表示，希望把细胞变成历史学家，设想一个生物的记忆系统，比今天的技术越要灵活的多。在这个方案中，细胞自身可以被诱导来记录分子事件，如在他们自己的基因组中基因表达随时间的变化；还可以通过对储存在其中的细胞的基因组测序来检索信息。倘若这些转录的步骤成熟，未来我们可以利用自己喜欢的细胞进行DIY操作。
在CRISPR系统的帮助下，Shipman初步实现了在活细胞中储存数据的概念性的设计——DNA存储。此外，他们还测试了哪些序列最适合将数据传输至基因组。
参考资料： Scientists replay movie encoded in DNA
2）Lights, camera, CRISPR: Biologists use gene editing to store movies in DNA
3）CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria
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