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DNA 資訊儲存再進化 ! CRISPR 技術將影片存入細菌 DNA

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專門描述科技衝擊的科幻英劇《Black Mirror:黑鏡》裡,有一集描述到人類的科技已經進步到能將記憶記錄成影片檔,藉由每個人身上配戴的記憶粒(儲存記憶的裝置),可以隨時倒帶、播放,分享給親朋好友觀看,甚至能做為提供警察辦案的證據。隨著最近 CRISPR 基因編輯技術的突破性發展,這樣的科幻場景,或許終有在生活中實現的一天。

其實早在七十年前,就已經有科學家提出以 DNA 搭載大量資訊的可能理論,因為在自然界裡,核酸早被用來將訊息填充到活細胞中長達數十億年的時間。如此看來,DNA 絕對是數據儲存的絕佳介質。不過直到五年前,哈佛大學的分子生物學家 George Church 才首次成功將 DNA 運用於 IT 數據資料儲存。當時,Church 博士破紀錄地在短短的 55,000 條 DNA 中存入一整本配有插圖的 53,400 字英文書籍。而今,隨著合成生物學與分子工程領域的不斷努力與技術推展,科學家已能夠在一千公克的 DNA 裏存入 2.15 億 gigabytes 的訊息,證明了使用在體外組裝的合成寡核苷酸 DNA 存儲資訊的潛力。

DNA 資訊儲存風潮 微軟、Google 也投入

由於 DNA 儲存資訊的空間非常大,保存的時間也相當久,若成功開發成生物硬碟,將能因應數位時代日積月累的龐大資料量,因此科技巨頭微軟和 Google 皆投入這方面的研究。其中,微軟更在今年大膽宣布,將在 2020 年推出以 DNA 雲端儲存資訊的商用服務,作為 Azure 雲端計算的一部分。而微軟內部,還有一個更大的願景,就是微軟預計在十年內,將目前的 Azure 雲端計算機完整轉型為運用 DNA 儲存訊息,讓 Azure 變成世界上最大的超級計算機。因為傳統可以保存三十年的磁帶儲存數據資訊的方式,到了今天雖仍在使用,卻早已經無法滿足目前大數據時代每日產生的大量資訊。所以微軟的工程團隊一直在尋找可能的替代方案,如果有一天能夠使用細菌的 DNA 存取資料,製成生物硬碟來替代現在所有的磁帶歸檔系統,那麼這些在今天仍佔據了數百億存儲空間,且需大量佔地面積的磁帶歸檔系統,便可以功成身退了。

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延伸閱讀:DNA ― 最終極的資訊儲存裝置?

CRISPR 編輯技術進擊應用:將影片寫入大腸桿菌 DNA

然而,以 DNA 存取訊息的研究領域,仍有一個尚未完全開發的處女地帶,那就是隨著時間先後順序添加核苷酸,將訊息寫入活細胞基因體的技術。最近,哈佛大學分子生物學家 Church 博士所率領的研究團隊,在 2016 年再次有所突破,構建出首個基於 CRISPR 系統的分子記錄器 (Science, doi: 10.1126/science.aaf1175),讓細胞能依照時間順序獲得由 DNA 編碼的數位資訊,進而在作為細胞模型的細菌基因體中儲存訊息。該系統使用Cas1-Cas2 整合酶,在 CRISPR-Cas 系統儲中存入侵病毒的核苷酸含量,利用它們產生短間隔序列,並且將這些間隔序列作為新的序列元件,添加到不斷增加的細菌基因體CRISPR 陣列內,留下記憶,從而當病毒再次入侵時,能賦予細菌產生免疫適應力。研究團隊希望能啟動類似的機制,將任意的訊息依照時間先後順序寫入基因體中。後來該團隊展開更具體的實驗,2017 年 7 月在 《Nature》 期刊上發表的論文中,Church 博士的團隊成功以CRISPR-Cas 基因編輯技術將一位騎士騎馬飛奔的經典黑白圖像和短片的像素值編碼存入活的大腸桿菌基因體內,再透過 DNA 定序成功完整解譯這部影片。透過這項實驗,該團隊突破了現有以 DNA 儲存訊息的技術限制,包括在活細胞的生物學機制與技術面上,都能更加理解與精準運用 CRISPR-Cas 系統的基本原理,解釋細菌是如何獲取與排定序列的細節。該研究也做出實質證明,確認 CRISPR-Cas 基因編輯技術能正確且穩定地在活細菌基因體中存取複雜的真實數據資料。

雖然科學家在以 DNA 存取訊息的領域有重大突破,但是距離這項新科技真正商業化的時間,真能如同微軟所宣稱的短短三年內可達成嗎?對此,Church 博士樂觀的認為:「以人類全基因體定序來說,最早開始科學家花上三百億的成本才做出一點成果,連最樂觀的學者都預測要花上六十年才能將定序成本降為 1,000 美元。結果現在六年內這項目標就達到了。」因此在最小單位的細菌 DNA 空間內存入資訊,甚至未來將生物硬碟做為商用資料庫,或許真的指日可待 !

延伸閱讀:基因編輯技術的里程碑! 科學家用 CRISPR 成功修改人類胚胎

文獻參考:

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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