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你手机上的GIF动图 细胞DNA里也能播放
来源: 南方日报    时间: 2017-07-17 10:14

  看细胞DNA内

  如何播放GIF动图

  近日,在《自然》杂志网站发表的一篇论文显示,来自美国哈佛大学医学院的科学家通过CRISPR技术,将一段GIF动图的编码写入大肠杆菌的DNA里,并且成功从活的大肠杆菌中把这些数据读出来。

  这个论文成果吸引了不少人的注意,其中持质疑观点的人不在少数。很多生物学者除了略带讽刺地表示“会玩”之外,对这篇论文的评价并不高。

  毕竟,用DNA存储数据的技术并非首次出现,包括上述论文的通讯作者乔治·丘奇在内的多个研究团队,已成功地在DNA中存储了文字编码、JPG编码图片,甚至是电影《火车进站》!

  那么这次丘奇团队的神奇之处在哪呢?真的只是他们“会玩”而已吗?基因编辑技术还有什么惊艳之处?本期科技能见度带你揭秘。

  DNA也能当“硬盘”1克能存2.15亿GB

  哈佛大学医学院团队的论文描述了一幅GIF动图的“存储—读取”过程:研究团队选取了一个人骑着马狂奔时的动作,只有5帧图像、36×26个像素。这个GIF动图的编码用CRISPR技术写进了大肠杆菌的DNA里。通过DNA测序,团队重新得到了编码信息,可以把画面重构出来,也就是播放出来。据报道,目前存取信息的准确度能达到90%左右。

  事实上,用DNA存储数据的技术并非首次出现。2012年,上述论文的通讯作者、美国哈佛大学医学院教授乔治·丘奇团队,成功在DNA中编码了5万余字的文字内容、11张JPG编码图片和1个JavaScript程序。

  2013年,欧洲生物信息研究所的研究团队成功在DNA中编码了《我有一个梦想》的音频、一些图片、发现DNA双螺旋结构的那篇划时代论文,以及莎士比亚的全部十四行诗。

  2016年,华盛顿大学和微软公司合作,成功在DNA中编码了高达200MB的数据,其中包括《战争与和平》等百部文学作品。

  今年早些时候,哥伦比亚大学和纽约基因组中心在《科学》杂志发表论文,报道了其对于DNA高密度存储的研究成果:理论上1克DNA可存储2.15亿GB数据,这更新了人工DNA存储信息的纪录。按这种存储密度,将全世界所有的数据都编入DNA,也占不了多大地方,或许一个汽车后备箱就足够了。

  颇有意思的是,此团队还在DNA中存储了世界上第一部电影《火车进站》、一些其他文件,以及一份价值50美元的亚马逊礼品卡图片文件。

  自然界中,DNA分子由碱基腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)组成螺旋上升的结构。这四种碱基通过千变万化的排列组合,编码成参差多态的生命形式。理论上,将数据编码中的0、1转为ACGT四种字母,就能变成DNA编码,存储任何文件。

  科学家之所以青睐DNA存储,除了数据密度大之外,另一个原因在于DNA耐久性特别强:相对于磁盘和芯片几十年、最多数百年不等的寿命,考古发现,几十万年前古生物的化石中,仍可比较完整地获得DNA。

  或能攻克癌症治疗遗传疾病

  看完上述这些成果,如电影都能存储在DNA中,那GIF动图植入DNA中是不是就不算什么了呢?而且,从存储的角度来说,论文中描述的10%左右的错误率可谓“惨不忍睹”。

  但是,这篇争议颇多的论文能够登上《自然》杂志,一个让人信服的创新点是:这些信息是写入了“活的”生物体细胞中。

  去年,该研究团队的一篇论文或许解释了这种创新的意义。2016年6月,丘奇团队在《科学》杂志发表论文称,其利用细菌的CRISPR适应性免疫系统,开发出一种永久性记录活细胞中分子事件的方法。团队成员尼瓦拉在接受媒体采访时表示,“这些实验为研发能用来监控长时间内分子事件的记录系统奠定了基础。比如,最终它能够帮助我们了解某个细胞从健康走向疾病状态期间,其基因条件出现了何种问题等。或者它也可以被用来记录细胞外部环境信息,比如特定化学物质、毒素和病原体的存在。”

  这些研究都离不开CRISPR,这个词全称为“成簇规律间隔短回文重复序列”,是目前用于复杂基因组最先进的基因编辑技术,被称为“魔剪”。

  这项技术给了人们太多的畅想:治疗遗传疾病,攻克癌症,提升人类寿命……

  在国内,四川大学华西医院卢铀教授团队利用CRISPR技术治疗非小细胞肺癌的研究,也于2016年7月通过了临床试验审批,成为世界上首个CRISPR人体临床试验。

  当然,CRISPR并非完美无缺。对其最大的质疑来自“脱靶效应”,即错误的基因被改造产生不可预料的基因改变,从而对人体造成潜在危害。例如,不久前,有来自《自然—方法》杂志的通讯文章称,CRISPR/Cas9基因编辑技术存在较高的脱靶率。但也有如中国科学院神经科学研究所的杨辉研究员和唐骋博士指出,上述通讯文章存在样本量不够等问题,尚需更多验证。

  ●南方日报驻京记者 王腾腾

(责任编辑:魏晓航)
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