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(Exabyte,EB)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)
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:
查了一下台灣兩大科普雜誌,發現《科學月刊》與《泛科學》都沒報導過!顯然這不是一篇容易寫的科普文章。但因其重要性,及對科普的喜好,在猛 K 一個月後,筆者謹在此先野人獻曝,報導點心得,望能拋磚引玉將來有專家為我們寫一篇更詳細及深入的介紹。在進入本文之前,得預先警告:筆者深深了解數學公式會嚇跑讀者,但是幾經考慮後,覺得不用點數學顯然不能點出量子計算機的骨髓。對數學不感興趣的讀者事實上不需要深入了解:只要從那些數學中看出量子計算機的運算不是確定性的「加減乘除」、而是操縱或然率的「量子物質狀態」改變(「量子位元」一節)即可。如果真的不想看到數學公式,可以跳過「量子閘」及「量子計算機」二節。
量子計算機的起源
20 世紀 80 年代初,美國阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)貝尼奧夫(Paul Benioff)發表四篇量子計算基礎的開創性論文,證明計算機可以按照量子力學定律運行;費曼(Richard Feynman)獨立提出了量子計算的想法,認為基於量子原理的計算機可以高效地模擬量子系統,克服對於一般電腦來說難度呈指數級增長的計算任務。1985 年牛津大學物理學家德意志(David Deutsch)以費曼和貝尼奧夫的思想為基礎,提出了通用量子計算的概念,並設計出一個適用於量子計算機的演算法。