把DNA变成活硬盘

南都周刊,2012年06月14日

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）。