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某科學の超電報

電影片源哪裡找?科學家利用 CRISPR 把影像儲存在大腸桿菌的DNA!

2017/07/20 |

快訊分類學園都市必備 快訊標籤CRISPR, DNA, 分子紀錄, 分子錄影帶, 和 大腸桿菌

好看的電影應該要存在哪裡?CD、隨身碟、還是你的電腦 D 槽?科學家對此有些不一樣的想法。既然是科學家,存影片的方式當然也要很科學,最近,由美國國家衛生研究院(National Institutes of Health)資助的科學團隊首度將原始電影編碼於活的大腸桿菌 DNA 中,並且成功回放影片!

為什麼想用基因紀錄影像?因為它們可以存超多!

科學家在 7 月 12 日將實驗結果線上發表於《自然》(Nature)期刊,將這個前瞻的「分子錄影帶」(molecular ticker tape)想法公諸於世。在過去的研究中,科學家們已經能用 CRISPR 儲存細菌中的 DNA 序列;而這次的研究則證明了 DNA 不只可以用來編碼遺傳訊息,更可以將任意順序的訊息編碼進基因組中。

不過,為什麼研究者一開始會將腦筋動到 DNA 儲存上呢?那是因為 DNA 是我們目前已知最佳的儲存空間之一,在理論上,僅僅一公克的單鏈 DNA 就可以存下 455 艾位元組ExabyteEB)的內容,也就是大約「一千億」張 DVD的容量。這麼看起來,也就不難理解科學家們為何要努力地將大量的書籍資料、數位影像塞進小小的生物原料中。(也可能只是因為他們的 D 槽不夠存……

在了解科學家是如何「拍電影」前,我們不妨回顧一下神奇的 CRISPR 究竟是何方神聖:CRISPR 在細菌裡扮演著免疫系統的角色,當細菌受到病毒感染時,CRISPR 就會切除部分外來的 DNA 並將之儲存於自己的基因組,方便細菌在往後利用這些儲存的資料去辨識病毒、防禦未來的攻擊。而現在為科學家所青睞的 CRISPR/Cas9 技術就是利用這樣的原理,將特定的訊息編進基因之中。(詳見此文

CRISPR運作原理。圖/By James atmos, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

編碼轉錄再定序,分子紀錄很繁複

來自哈佛大學研究團隊認為,在需要隨著時間紀錄事件變化時,CRISPR 是個很具吸引力的系統,因為它本身帶有順序性的特質。而為了錄下有順序性的「電影」,團隊首先利用一張人類手掌的影像做嘗試。他們利用兩種策略將手掌的像素儲存於核苷酸中,而後也成功重建出影像。

核苷酸編碼。圖/研究圖片

在成功建立手掌的圖片後,科學家轉而將目標放到 1870 年代經典的賽馬動畫《邁布里奇的馬》上,這個影片是以多幅連續圖片接連放映而成,是動畫最早的雛形。

你有看過這隻可愛小馬嗎?圖/by Eadweard MuybridgeAnimation, public domain, wikimedia commons

那麼,研究團隊究竟要如何將馬兒的影片儲存於核苷酸中呢?

每個核苷酸都有一個含氮鹼基作為核心,而 DNA 裡會出現的含氮鹼基有 A(腺嘌呤)、G(鳥嘌呤)、C(胞嘧啶)、T(胸腺嘧啶)四種,科學家便以此作為編碼依據,使用三元組表格去定義不同的像素顏色。他們將四個核苷酸定義為一個像素集(研究團隊將之標示為 pixet),而每個像素集中的像素(pixel)則分散於圖像上。

每個像素都要仔細編碼,才能再度建出小馬。圖/研究圖片

而後科學家把賽馬動畫中的五幀圖畫以上述方式編碼,再將匯集過的寡核苷酸利用電穿孔技術植入大腸桿菌(os:好痛)。在五天的過程中,他們用轉譯過的 DNA 順序去處理細菌,接著,他們便能用定序細菌 DNA 的方式來「撥放」電影,重建的精準度高達 90%。聽起來很厲害吧?恩……這部神奇的生物電影看起來是這樣子的:

左邊是原本的影像,右邊是重建的影像。圖/giphy

這個成功重建影片的實驗被視為邁向「分子紀錄」(molecular recorder)的重要里程,因為這種如電影般印下連續事件的分子記錄方式,是分子工程紀錄的重要概念。

將細胞變成歷史學家,分子紀錄技術潛力無窮

「我們希望將細胞變成歷史學家。」研究的第一作者希普曼(Seth Shipman)說。

科學家們正試圖想像一個比現今技術更小而多變的生物記憶系統,可以隨著時間推移,以非侵入性的方式追蹤許多事件。如果成功掌握了轉錄步驟,科學家或許能進而設計類似的細胞,這些方法可以用於疾病模擬或甚至醫療療程。

而雖然這種技術可以有許多發展的面向,研究者本身最期待將之用於大腦研究。「我們希望利用神經元紀錄大腦發展的分子歷史。」希普曼說,這樣的分子記錄方式最終將使我們能夠直接蒐集到每一個細胞的資訊而無須侵入、直接觀察、甚或破壞系統以提取遺傳物質。

  • 如果想更了解實驗內容,以下由希普曼大大為您專業講解:

參考資料:

原始論文:

 

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關於作者

Peggy Sha

Pansci的小小實習編輯,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。