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鳳凰科技訊 北京時(shí)間11月18日消息據(jù)科學(xué)日?qǐng)?bào)報(bào)道，美國麻省理工學(xué)院的工程師們已經(jīng)將大腸桿菌的基因組轉(zhuǎn)化成為長(zhǎng)期的記憶存儲(chǔ)設(shè)備。他們?cè)O(shè)想這個(gè)穩(wěn)定、可消除、易取回的記憶將適合一系列應(yīng)用，例如用于環(huán)境和醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)的傳感器?！澳憧梢源鎯?chǔ)長(zhǎng)期信息，”麻省理工學(xué)院電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物工程副教授盧冠達(dá)(Timothy Lu)這樣說道。“你可以想象一下生活在你腸道里的細(xì)菌或者環(huán)境細(xì)菌擁有這樣的系統(tǒng)。”

工程師們已經(jīng)將大腸桿菌的基因組轉(zhuǎn)化成為長(zhǎng)期的記憶存儲(chǔ)設(shè)備

這項(xiàng)發(fā)表在11月13日的期刊《科學(xué)》上的研究克服了細(xì)菌基因體內(nèi)存儲(chǔ)記憶的現(xiàn)有方法的好幾項(xiàng)局限性，研究高級(jí)作者盧這樣說道。這些方法需要大量的基因調(diào)控元素，從而限制了可以存儲(chǔ)的信息量。

之前的研究還只限于數(shù)字記憶，這意味著它們只能存儲(chǔ)要么全有或者全無（all-or-nothing）的記憶。盧和他的研究生、文章首席作者法希姆·法爾扎法德(Fahim Farzadfard)計(jì)劃創(chuàng)立一個(gè)存儲(chǔ)模擬記憶的系統(tǒng)，從而揭示暴露的程度或者持續(xù)時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)“基因錄音機(jī)”，使得研究人員可以在任何細(xì)菌DNA序列上編寫新的信息。

穩(wěn)定的記憶

為了編碼大腸桿菌從而儲(chǔ)存記憶，麻省理工學(xué)院的研究人員對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了改造并生成了一種重組酶，它可以將DNA 或者特定序列的單鏈DNA 插入到靶點(diǎn)。然而，只有當(dāng)存在一種預(yù)定分子或其他類型的輸入信號(hào)，例如光時(shí)，才能產(chǎn)生這一DNA。

在生成DNA 后，重組酶將這一DNA 插入細(xì)胞基因組的預(yù)編程位置。“我們可以定位基因組里的任何位置，這就是為什么我們把它視作一種錄音機(jī)，因?yàn)槟憧梢钥刂菩盘?hào)寫入的位置，”盧冠達(dá)說。一旦這一過程記錄下了一種暴露，這些記憶將在菌群里永久儲(chǔ)存并代代相傳。

想要取回存儲(chǔ)的信息，有幾種不同的方法。如果DNA 被插入了基因組的非功能區(qū)域，對(duì)基因組的測(cè)序?qū)?huì)揭示這一記憶是否存儲(chǔ)在特定細(xì)胞里?；蛘?，研究人員可以定位這些序列從而改變基因。例如，在這項(xiàng)研究里，新的DNA 序列開啟了一個(gè)抗生素抗性基因，這使得研究人員可以通過向細(xì)胞添加抗生素并觀察細(xì)胞存活的數(shù)量，從而確定有多少細(xì)胞獲得了這一記憶序列。

通過測(cè)量擁有新DNA 序列的細(xì)胞在群體中的比例，研究人員可以確定暴露的程度以及持續(xù)的時(shí)間。在這項(xiàng)研究里，研究人員利用這一系統(tǒng)檢測(cè)了光、一種叫做IPTG 的乳糖代謝產(chǎn)物以及一種抗生素衍生物aTc。此外它還可以針對(duì)許多其它的分子甚至是細(xì)胞產(chǎn)生的信號(hào)，盧這樣解釋道。通過刺激細(xì)胞并將不同的DNA 片段在同一位置整合，這些信息還可以被消除。然而目前這一過程效率并不高，但研究人員正在努力改善它。

“這項(xiàng)研究真是令人激動(dòng)，因?yàn)樗趩我幌到y(tǒng)里結(jié)合了很多有用的特性：持久性、可模擬性、分布的基因存儲(chǔ)且具有一系列讀取選項(xiàng)，”美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的副教授肖恩· 道格拉斯（Shawn Douglas）這樣說道，他并沒有參與這項(xiàng)研究。“法爾扎法德和盧的這項(xiàng)研究并沒有將單個(gè)細(xì)胞作為一個(gè)數(shù)字存儲(chǔ)設(shè)備，而是將整個(gè)細(xì)胞群作為一個(gè)模擬‘硬盤’，從而極大的增加了可以存儲(chǔ)和取回的信息量?！?/p>

細(xì)菌傳感器

這類傳感器的環(huán)境應(yīng)用包括監(jiān)測(cè)海洋的二氧化碳水平、酸度或污染物。此外，還可以潛在利用一些生活在人類消化道里的細(xì)菌來檢測(cè)某人的飲食攝入，例如消耗的糖或脂肪量，或者檢測(cè)腸易激綜合征引發(fā)的炎癥。

這些基因改造的細(xì)菌還可用作生物計(jì)算機(jī)，盧冠達(dá)說道，它們尤其適用于要求進(jìn)行大量并行處理，例如辨認(rèn)圖像模式的計(jì)算類型。

“由于在一個(gè)試管中有數(shù)十億的細(xì)菌，現(xiàn)在我們開始利用這樣的菌群進(jìn)行儲(chǔ)存記憶或者計(jì)算。利用它們進(jìn)行高度并行的計(jì)算可能將非常有趣。它也許比較緩慢，但可能相對(duì)節(jié)能，”盧說道。

另一種可能的應(yīng)用是，通過基因改造在培養(yǎng)皿里培育的活體動(dòng)物或人類的大腦細(xì)胞，研究人員可以追蹤在某一特定時(shí)間某一特定疾病標(biāo)記物是否表達(dá)或者某個(gè)神經(jīng)元是否活躍?！叭绻隳軌?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的DNA 自我轉(zhuǎn)化為小型儲(chǔ)存設(shè)備，然后與你關(guān)心的東西關(guān)聯(lián)起來，那么你就可以寫下這一信息并隨后取回?！北R冠達(dá)說道。這項(xiàng)研究得到了美國國家衛(wèi)生院、海軍研究辦公室和美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)的資金支持。