為存數據研究人員給細菌編程

　　“Hello World！”是許多程序員的第一行代碼，但你見過從活的生物體內讀出的“Hello World！”嗎？哥倫比亞大學的一個研究小組做到了，他們把數據寫入活細菌的DNA，相關研究11日發表在《自然-生物化學》上。

　　對數據存儲而言，DNA在許多方面都很有吸引力。比如，相較于目前結構最緊湊的硬盤，DNA的密度是前者的一千倍以上，在一粒鹽大小的面積上能存儲10部完整的數字電影。而且，DNA在生物學中的重要性不言而喻，隨著時間推移，讀取和寫入DNA的技術終將迎來實用性更強、成本更低的那一天。

　　實際上，用DNA存儲數據并不是個新點子。據《科學》報道，研究人員通常將二進制語言0和1轉換為DNA的4個堿基AGCT（腺嘌呤,鳥嘌呤，胞嘧啶，胸腺嘧啶），再用合成器將代碼寫入DNA。

　　但這種方法也有缺點，DNA合成的準確性會隨著代碼獲取時間的延長而降低，研究人員不得不將文件拆成多個部分，然后分別將其寫入200-300個堿基長度的DNA片段內。為了標識它們在文件中的位置，研究者給這些片段都加了索引，當測序儀讀取時這些片段得以重新組裝。按該方法，1兆位信息合成的成本高達3500美元，而裝在小瓶子里、存儲著信息的DNA還會隨時間降解。

　　一直以來，研究人員都在尋找更持久、更易于編碼的方法。此次新發布的研究中，研究人員可將大腸桿菌及其攜帶的信息添加到正常土壤微生物的混合物中，通過對混合物測序，以獲取先前存儲的內容。

　　論文通訊作者、哥倫比亞大學系統生物學系的Harris H. Wang早在2017年就和課題組成員探索將數據寫入或生物體DNA的方法，他與合作者曾利用基因編輯CRISPR系統識別生物信號，成功鑒定出果糖的存在。

　　當果糖被添加進入大腸桿菌細胞中時，基因表達在質粒（一種環狀DNA）中增加。接著，CRISPR系統中的成分進化為防御病毒入侵的細菌，將過表達的質粒切成碎片，并將其中一些碎片放入細菌DNA的特定部分，以“記住”先前的病毒入侵者。插入的遺傳位代表二進制里的1，如果沒有果糖信號，細菌會存儲隨機的DNA片段以表示二進制中的0。對大腸桿菌DNA測序后，這些信息即可被讀取。

　　之后，為了加大數據存儲量，研究團隊用電子輸入替代了果糖識別系統，他們將一系列基因插入大腸桿菌，讓細胞能響應電壓、增加質粒表達，表達增加后，這些被數字化的表達物就能存進細菌DNA。為了讀取存儲內容，研究人員對細菌測序即可。

　　Harris H. Wang表示，將數據存儲在活的生物體中還為時過早，他們也不會與當前的存儲系統發生競爭。未來，他和更多研究者還需要想出改進辦法，比如防止細菌復制時發生突變導致降解。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41589-020-00711-4