让细菌化身移动硬盘!利用CIRSPR系统在活细胞DNA中存储信息

       进入 21 世纪以来, 人类世界数据和信息的增长速度急剧增加。随着数据层次的提升, 在可预见的未来, 基于传统硅基存储介质的存储方式将不可避免地陷入资源枯竭的困境。因此, 开发新的存储技术就显得尤为重要。在数据存储发展的方向上, DNA存储技术是一个有吸引力和有前途的选择。众所周知, DNA是自然生物保存遗传信息的载体。在细胞核尺度的空间中, 一个物种的所有遗传信息都可以被保存下来。这是多么难以想象!近日, 美国哥伦比亚大学的研究人员在 NatureChemicalBiology 杂志上发表了一篇关于 Robustdirectdigital-to-biologicaldatallingcells 的研究论文。这项研究向我们展示了新的 DNA 存储技术通过将 CRISPR 技术与重编程细菌相结合, 通过电刺激将 3 个单位的二进制数据编码成细菌 CRISPR 阵列, 从而实现了有意义的 72 位信息存储。 DNA以其高密度信息存储特性有望成为下一代数据存储介质。基于DNA存储开发的DNA计算机具有惊人的优势:1立方厘米的DNA存储信息超过1万亿张光盘。相当于自出现以来所有电子计算机的总计算量。 DNA存储技术的独特优势是极高的存储容量。当然, 目前最新的DNA存储技术也存在体外DNA合成速度慢、错误率高、合成成本高等问题。但值得注意的是, 在活细胞中, 情况恰恰相反, DNA合成缓慢, 突变率低, 成本不是问题。可见, 如果信息能够直接编码存储在活细胞中, 将极大地推动基因存储技术在现实中的应用进程!因此,

为了创造一种廉价且易于编码的活细胞DNA存储技术, 哥伦比亚大学Harris Wang教授领导的研究团队一直致力于将信息数据直接写入活细胞的DNA中。此外, 这些DNA将通过复制的信息实现信息数据的长期保存。事实上, 早在2017年, 研究团队就利用CRISPR基因编辑系统和基因编程的细菌来识别生物信号——果糖。当研究人员在培养基中添加果糖时,

细菌中的颗粒性能会提高。其次, CRISPR-Cas系统将表达的质粒切割成碎片, 将一部分插入CRISPR阵列, 插入的DNA片段代表数字位置。如果糖信号缺失, CRISPR-Cas 系统将随机存储 DNA。
       这意味着数字为零, 研究人员测量了这些细菌的 DNA, 通过识别 1 或 0 来指示细菌是否接触过糖分。但不幸的是, 此类设备只能存储少量信息位的数据。
       将三位二进制数据编码成细菌。现在, Harris Wang 教书教授及其同事已经开发出更简单、容量更大的活细胞 DNA 存储技术。他们使用了一种可以编码更长信息串的系统, 与以前的糖果识别系统不同, 他们采用了一种诱导信息写入的新方法——电刺激。研究人员将一系列基因插入细菌中, 使细菌对电压做出反应, 从而提高粒子的性能。与果糖识别系统类似, 质粒表达的增加是由CRISPR-Cas系统在细菌的DNA中写入数字位置, 最后通过DNA序列读取这些1和0。数据信息通过电刺激和 CIRSPR 系统直接写入活细胞的 DNA。通过这种新方法, 研究团队实现了高达72位的数据电子编码, 成功编写了计算机领域经典语言HelloWorld!的双曲余弦。不仅如此, Harris Wang 教授还表示, 他们可以将携带信息的基因编程细菌混合到正常的土壤微生物中, 测量混合物, 并读取存储的信息。
       这意味着一旦技术成熟, 我们或许可以随时随地在任何环境中读取我们想要的数据信息! 72位数据容量,

成功写入HelloWorld!当然, 这个系统还存在一定的不足。例如, 如何防止细菌复制时数据信息发生变异和分解的72位信息存储容量,

与目前硅介质的硬盘存储技术还是有很大区别的。对此, Harris Wang 教授说:“在生物体中存储数据也它处于早期阶段, 无法与当今的存储系统竞争。综上所述, 本项基于CRISRP技术和重编程细菌的研究成功实现了活细胞DNA的数据写入和读取, 展现了DNA存储技术的新发展方向。虽然离实际应用还有很长的路要走, 但不可否认, 这是非常好的非常关键的一步!
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