DNA 资讯储存再进化 ! CRISPR 技术将影片存入细菌 DNA

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专门描述科技冲击的科幻英剧《Black Mirror:黑镜》里,有一集描述到人类的科技已经进步到能将记忆记录成影片档,借由每个人身上配戴的记忆粒(储存记忆的装置),可以随时倒带、播放,分享给亲朋好友观看,甚至能做为提供警察办案的证据。随着最近 CRISPR 基因编辑技术的突破性发展,这样的科幻场景,或许终有在生活中实现的一天。

其实早在七十年前,就已经有科学家提出以 DNA 搭载大量资讯的可能理论,因为在自然界里,核酸早被用来将讯息填充到活细胞中长达数十亿年的时间。如此看来,DNA 绝对是数据储存的绝佳介质。不过直到五年前,哈佛大学的分子生物学家 George Church 才首次成功将 DNA 运用于 IT 数据资料储存。当时,Church 博士破纪录地在短短的 55,000 条 DNA 中存入一整本配有插图的 53,400 字英文书籍。而今,随着合成生物学与分子工程领域的不断努力与技术推展,科学家已能够在一千公克的 DNA 里存入 2.15 亿 gigabytes 的讯息,证明了使用在体外组装的合成寡核苷酸 DNA 存储资讯的潜力。

DNA 资讯储存风潮 微软、Google 也投入

由于 DNA 储存资讯的空间非常大,保存的时间也相当久,若成功开发成生物硬盘,将能因应数位时代日积月累的庞大资料量,因此科技巨头微软和 Google 皆投入这方面的研究。其中,微软更在今年大胆宣布,将在 2020 年推出以 DNA 云端储存资讯的商用服务,作为 Azure 云端计算的一部分。而微软内部,还有一个更大的愿景,就是微软预计在十年内,将目前的 Azure 云端计算机完整转型为运用 DNA 储存讯息,让 Azure 变成世界上最大的超级计算机。因为传统可以保存三十年的磁带储存数据资讯的方式,到了今天虽仍在使用,却早已经无法满足目前大数据时代每日产生的大量资讯。所以微软的工程团队一直在寻找可能的替代方案,如果有一天能够使用细菌的 DNA 存取资料,制成生物硬盘来替代现在所有的磁带归档系统,那么这些在今天仍占据了数百亿存储空间,且需大量占地面积的磁带归档系统,便可以功成身退了。

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CRISPR 编辑技术进击应用:将影片写入大肠杆菌 DNA

然而,以 DNA 存取讯息的研究领域,仍有一个尚未完全开发的处女地带,那就是随着时间先后顺序添加核苷酸,将讯息写入活细胞基因体的技术。最近,哈佛大学分子生物学家 Church 博士所率领的研究团队,在 2016 年再次有所突破,构建出首个基于 CRISPR 系统的分子记录器 (Science, doi: 10.1126/science.aaf1175),让细胞能依照时间顺序获得由 DNA 编码的数位资讯,进而在作为细胞模型的细菌基因体中储存讯息。该系统使用Cas1-Cas2 整合酶,在 CRISPR-Cas 系统储中存入侵病毒的核苷酸含量,利用它们产生短间隔序列,并且将这些间隔序列作为新的序列元件,添加到不断增加的细菌基因体CRISPR 阵列内,留下记忆,从而当病毒再次入侵时,能赋予细菌产生免疫适应力。研究团队希望能启动类似的机制,将任意的讯息依照时间先后顺序写入基因体中。后来该团队展开更具体的实验,2017 年 7 月在 《Nature》 期刊上发表的论文中,Church 博士的团队成功以CRISPR-Cas 基因编辑技术将一位骑士骑马飞奔的经典黑白图像和短片的像素值编码存入活的大肠杆菌基因体内,再透过 DNA 定序成功完整解译这部影片。透过这项实验,该团队突破了现有以 DNA 储存讯息的技术限制,包括在活细胞的生物学机制与技术面上,都能更加理解与精准运用 CRISPR-Cas 系统的基本原理,解释细菌是如何获取与排定序列的细节。该研究也做出实质证明,确认 CRISPR-Cas 基因编辑技术能正确且稳定地在活细菌基因体中存取复杂的真实数据资料。

虽然科学家在以 DNA 存取讯息的领域有重大突破,但是距离这项新科技真正商业化的时间,真能如同微软所宣称的短短三年内可达成吗?对此,Church 博士乐观的认为:“以人类全基因体定序来说,最早开始科学家花上三百亿的成本才做出一点成果,连最乐观的学者都预测要花上六十年才能将定序成本降为 1,000 美元。结果现在六年内这项目标就达到了。”因此在最小单位的细菌 DNA 空间内存入资讯,甚至未来将生物硬盘做为商用数据库,或许真的指日可待 !

延伸阅读:基因编辑技术的里程碑! 科学家用 CRISPR 成功修改人类胚胎

文献参考:

Microsoft will offer DNA storage in the cloud by 2020


https://thepeninsulaqatar.com/article/28/05/2017/Microsoft-plans-to-store-data-in-DNA
http://www.nature.com/nature/journal/v547/n7663/full/nature23017.html

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