工程师开发基于细菌的信息储存技术
日前，MIT的工程师们成功地将大肠杆菌的基因组改造成了一个长期的记忆储存装置。他们设想这种稳定的，可擦写的，易于检索的储存器将非常适合应用于诸如环境和医学监测的传感器上。
Timothy Lu—一位电器工程和计算机科学与生物工程的副教授说：“你可以储存非常长的信息”“你能够想象生活在你肠道或周围的细菌有这种系统。你可以把这些细菌拿出来放置数天或者数月，然后回来后看看在这一数量级发生了什么。” Lu-本文的主要作者说，在11月13日发布的 issue of the journal Science（科学期刊）中所描述的新策略，克服了细菌基因组中用于存储信息的现有方法的一些局限性。那些方法需要大量的基因调节元件，这就限制了信息的储存容量。 早期的成果也仅限于数字储存器，这意味着他们只能够记录全有或者全无的信息，诸如一个特定的事件是否发生。Lu 和研究生 Fahim Farzadfard——该论文的主要作者，将着手创建一个用于储存模拟信息的系统，该系统可以揭示暴露了多少，以及持续了多久。为了实现这一目标，他们设计了一个‘基因组录音机’，可以让研究人员在任何细菌的DNA序列里编写新信息。 稳定的存储器 为了让大肠杆菌能够储存信息，MIT的研究人员改变细胞的基因结构以产生重组酶，有了重组酶就可以插入DNA，或者一个特定的单链DNA序列到指定区域。然而，细胞只有当被存在的预定分子激活或者以另一种形式输入（比如光）时，DNA才会产生。 在DNA产生之后，重组酶就会将DNA插入预编写部分的细胞基因组中。Lu说：“在基因组中我们可以以任何地方为目标，这就是为什么我们将其视为一台录音机，因为你可以直接在有信号的地方插入程序。 一旦曝光是通过这一过程记录下来的，那么信息会储存进细菌群体的繁衍过程中，并且一代一代传下来。 有很多不同的方法来检索所存储的信息，如果DNA被插入到基因组的非功能性部分中，基因组测序将揭示是否信息被储存到特定的细胞中。或者，研究人员可以针对其序列来改变基因。例如，在本研究中，新的DNA序列是在抗生素抗性基因上进行改变的，从而使得研究人员能够确定有多少细胞通过将抗生素添加其中得到记忆序列，并且观察有多少存活。 通过测量细菌种群中细胞的比例就可以知道新DNA序列，研究人员就能够确定有多少是曝光的，并且持续了多久。在本文中，研究人员运用该系统来检测光，一个叫IPTG乳糖代谢产物，以及一种被称为aTc的抗生素衍生物，而且该系统也适用于其他分子或甚至由细胞产生的信号。Lu是这么说的。 该信息也可以通过在同一点刺激细胞掺入不同DNA片段被清除。这个过程目前不是很有效的，但是研究人员正在努力改善它。 Shawn Douglas，一位并没有参加这项研究的加州大学圣地亚哥分校的助理教授说“这项工作是非常令人兴奋的因为它把许多有用的功能集成到单一的系统中：持久的，模拟的，分布式的基因组使用各种读入读出选项储存。”“与其把每个独立的细胞单元作为数字储存设备，Farzadfard 和 Lu 把整个细胞群体作为模拟的‘硬盘驱动器’，大大地增加了总信息量，从而能够被储存和检索。 细菌传感器 这种类型的传感器在环境中的应用包括监测海洋的二氧化碳水平，酸度，或污染物。此外，这类细菌还可能安置在人体消化道来监控人的饮食摄入量，比如有多少糖和脂肪摄入体内，或者监测类似于肠易激综合症的炎症。 这些经过基因改造的细菌也可能用来作为生物计算机，Lu补充说，他们在需要大量并行处理的计算类型中是非常有用的，比如图像选择模式。 他说：“由于还有数以亿计的细菌还在试管中（试验中），现在我们可以开始充分利用大量的细菌群进行信息储存和计算，进行高度并行的计算可能是一件非常有趣的事情。这种计算可能是缓慢的，但却是节能的。” 另一个实际应用是改变在培养皿中活体动物或者人类的脑细胞的基因结构，使得研究人员查明是否某一个特定疾病的特征显现出来，或者是否某一神经元在特定的时间激活。Lu说：“如果你能依靠细胞自身把细胞中的DNA转变为一个小型信息储存设备，然后将其关联到你所要研究的部分，那么你就能够写入信息程序，之后再提取它。”
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