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大咖刷屏:George ChurchDNA存储研究
2017-07-17

最新全球刷屏的一篇论文中,美国科学院院士,合成生物学和基因编辑技术奠基人George Church教授的团队成功的利用基因编辑工具CRISPR-CAS系统把一段动画电影写入了大肠杆菌的基因组,并在细菌分裂的后代中无损的还原。该论文(CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria Seth L. Shipman, Jeff Nivala, Jeffrey D. Macklis, George M. Church)在2017年7月12日在线发表在知名学术期刊《自然》杂志上。

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一个多世纪后,这段古老的动画和前沿科技进行了一次合作——George Church 教授团队成功将这幅5帧的动画存入了活细胞的DNA中。这个首次‘享此殊荣’的电影片段能随时取出,还能随着细菌的增殖而被无限复制。

此前,George Church教授就是DNA存储方面的知名专家,在DNA存储方面取得了重大突破。他们通过合成了一个可存储96比特数据的DNA链,具体存储方法是为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶分别赋予二进制值(胸腺嘧啶和鸟嘌呤=1,腺嘌呤和胞嘧啶=0),随后通过微流体芯片对基因序列进行合成,从而使该序列的位置与相关数据集相匹配。当需要对数据进行读取时,只需再将基因序列还原为二进制即可。为了方便读取数据,研究人员还在每一个DNA片断的头部加入了19比特的地址块(address block),用此记录其在原始文件中的位置。得益于微流体技术的发展,合成、排列DNA成为了一项较为简单方便的工作。在此之前,人类基因组计划(Human Genome Project)为了研究一个含有30亿对碱基的人类DNA组要耗费数年的时间。现在,在微流体芯片的帮助下,这项工作只要几个小时就能完成。设想一下,1克DNA不到指尖上一滴露珠大小,却能够储存700TB的数据,相当于1.4万张50GB容量的蓝光光盘,或233个3TB的硬盘(差不多要151千克重)。切齐和库苏里在试验中将切齐的新书复制了700亿份储存在DNA中,数据总量达到44PB。

此次George Church 的研究,在此DNA基础数据的基础上,用基因编辑工具CRISPR--CAS实现了活细胞DNA的写入和存储以及数据读取。这其中CRISPR-CAS系统的应用发挥了巨大的作用。

活细胞DNA写入和读取:

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;

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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;

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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

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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。

论文第一作者,George Church 团队博士后Shipman的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。

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。


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