记者_胡雯雯
说到储存数据,我们首先想到的就是硬盘、U盘、光盘等。但合成生物学界的科学家正打算将另一种东西变成储存器:DNA。
DNA是一种带有遗传信息的生物大分子。根据组成部分排列方式的不同,它能显示出不同的生物功能,比如编码、复制和转录的调控功能等,而组成部分排列的变异可能产生一系列疾病。从这个角度看,DNA就像是上帝编写的生物程序,指导着不同的生物按特定方式生活。
“所有触发衰老、癌症和其他病变的过程,发生着无数的细胞变化事件,如果能借助DNA这种天然储存器将事件记录下来,对于生物和医疗技术会非常有帮助。”斯坦福大学的研究团队基于这个想法,经过几年努力,终于有了第一步的成果,他们将论文发表在了2012年5月的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。
德鲁·安迪教授是研究的带头人。他和同事们利用噬菌体病毒为原料,构建出一种名叫“重组酶可寻址数据”(recombinase addressable data,简称RAD)的模块,并将其植入大肠杆菌的DNA里,成功地制造出了可反复写入数据的DNA储存器。
噬菌体含有整合酶和切除酶两种物质。在他们的RAD模块里,整合酶可以让整个DNA的排序逆反过来,而两种酶同时存在时,DNA的序列又会还原最初的顺序。如果将DNA序列的正向排列看做“1”,反向排列看做“0”,这段DNA便能利用计算机的二进制算法,像数码储存器一样记录数据了。
利用生物来储存数据的尝试,以前也有过,比如转录因子系统(转录因子是由基因编码产生的调节性蛋白质。这种蛋白质能对自身或其他基因起到转录调节作用。)“德鲁团队的突破在于,他们证明了储存的数据可以一遍遍被重写。”另一位合成生物学界的权威,华盛顿大学的埃里克·克拉文教授这样评价。“想象一张CD光盘,如果你刻录了一次,它的空间就满了。但我们有了新的方法,能让它像电脑硬盘一样写入数据,擦掉后又重写。”
相比转录因子,德鲁的团队发明的系统更加可靠,像数码记录一样精准。而且,除了维系DNA本身所需的能量外,储存数据的过程并不需要额外消耗细胞的精力。
利用两种酶来控制DNA的排序,听起来简单,却花费了研究团队相当多的精力。因为这两种对立的酶被置于同一个细胞内时,会非常不稳定,让一切设计崩盘。团队中的博士后杰宏·波耐特花了整整三年时间,调整了750次两者的比例,终于找到了让两者平衡的方法。“就像是为了写六行程序编码,却修正了750次系统错误一样,这真的很让人崩溃。”波耐特回忆。
如今,他们创建的模块可以成功记录100次细胞分裂事件。“单个细胞在衰老过程中,发生的事件大概是50-200个,如果你想将它们都储存下来,就需要8位的数据储存量。”研究团队另一位成员,斯坦福大学的研究生萨博苏托解释。他们正在寻找更便捷的工具,让模块的储存性能提高到8位(bits)或是1字节(byte)。