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Nature:首次!“小电影”被科学家刻进了活细菌的DNA

2017/07/14 来源:生物探索
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导读
在活体生物的DNA中存取并读取视频信息?这不是科幻,而是正在进行的研究。7月13日,在线发表在国际学术期刊Nature上的一篇研究论文显示:美国哈佛大学医学院的研究人员将一部视频短片(gif图)存进了活的大肠杆菌的DNA里。

这张图显示了来自《人类和动物的运动》中名为Annie G的马奔跑的5帧影像,大小为36x26像素

左图显示的是一帧帧母马AnnaG奔驰的画面,右图是细菌经数次生长后,研究者利用测序细菌DNA重构的图像

(图片来源: NIH)

首次!“小电影”被科学家刻进了活细菌的DNA

7月13日,来自哈佛大学的Seth L. Shipman、 George M. Church等科学家利用CRISPR系统,将埃德沃德·迈布里奇(Eadweard J. Muybridge)的《人类和动物的运动》中收录的图片和一部视频短片(gif 图)编码进了细菌的DNA中。这项研究成果以“CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria”(《利用CRISPR Cas系统把一部数字电影存入一群活细菌的基因组中》)为题,在线发表在国际学术期刊Nature(《自然》)上。

“Molecular Recorder” would reveal secrets of brain development

(腾讯视频地址:https://v.qq.com/x/page/i0525p8mz4w.html

“分子记录器”迈出的重要一步

在此之前,已经有人证实:DNA是将数据存储进活细胞的一种可靠媒介,而此次则是在此基础上的进一步应用拓展。

据悉,这个过程分为三大步骤:

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;

An image into the genome

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;

Sequence determinants of acquisition

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。

Encoding a GIF in bacteria

研究人员合成了代表上述图像的DNA序列,通过电穿孔技术,把这些DNA转入大肠杆菌中。在CRISPR-Cas系统的帮助下,这些DNA被整合到大肠杆菌基因组中。一旦整合,就实现了信息的存储。

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。

Shipman的团队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。

研究表明:CRISPR系统有望使在活细胞中存储一定数量数据成为可能,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。

参考资料:

Scientists replay movie encoded in DNA

Lights, camera, CRISPR: Biologists use gene editing to store movies in DNA

CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria

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