1千克DNA存储全世界 1千克( 三 ) _小知识

DNA条形码技术已经遍地开花，甚至在单个研究领域内衍生出了不同的应用方式。一个例子就是癌症生物学，这个领域研究基因突变如何导致癌症，以及新药如何治疗癌症。癌细胞的耐药性是该领域中的一个重大难题：通常某种药物最初对患者有效，但随着药物逐渐失去杀死肿瘤细胞的能力，癌症就会复发。
哈佛大学托德·戈卢布（Todd Golub）实验室的科学家使用DNA条形码技术来研究这种耐药性。在2016年发表的研究中，他们利用病毒永久地将DNA条码插入到癌细胞基因组中。癌细胞A型接受条形码序列A；癌细胞B型收到条形码B ，以此类推。科学家将不同的细胞混合在一起，放在培养皿中培养，并用抗癌药物进行治疗测试。
如果药物杀死了癌细胞或减缓了其生长，那么细胞就不会分裂。但如果癌细胞对药物产生耐药性，那么它会迅速分裂。因此，随着时间的推移，如果癌细胞A对药物产生了耐药性， DNA条形码序列A的相对量就会增加。反过来，如果癌细胞A被药物抑制或杀死，则条形码序列A相对量减少。通过测序分析存活细胞所含条形码随时间的变化，研究人员可以同时量化所有类型的癌细胞对药物的反应。
2016年晚些时候，斯坦福大学的蒙特·温斯洛（Monte Winslow）实验室使用DNA条码标记的胰腺细胞系来鉴定阻止癌症扩散或转移的药物。该实验室使用病毒为每个细胞系打上条码，然后将这些细胞系铺在各自的培养孔中。之后，研究者用不同的抗癌药物处理每个孔。通过这种方式，每一种药物都与一个DNA条形码对应起来。紧接着，研究人员将细胞注入血液中，之后测量哪些细胞转移到了肺部。通过识别出现或消失的DNA条形码，研究人员可以确定哪些药物促进了转移，哪些药物可以阻止转移。
在第三个例子中，麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的科学家使用DNA条形码来研究基因组中的每一个基因对一种癌症的影响。研究人员首先培养了大量癌细胞，并将它们一起放在一个大培养皿中。之后，他们使用基因编辑系统让基因组中的所有基因逐一失活（或者激活）。被调节了表达量的基因序列起到了条形码的作用。用抗癌药物处理细胞，并随着时间推移对DNA进行测序，科学家就可以了解基因组中的每一个基因是怎样影响细胞耐药性的。
在以上这些例子中， DNA是生成数据的分子，因为同时进行的大量实验需要DNA的支持， DNA同样也是存储数据的分子，因为新一代测序技术是用来分析DNA条形码的。这些研究的意义极为重大，相同的技术可以用来研究自身免疫疾病、神经疾病和心血管功能障碍的治疗方法。想要简单理解DNA条码的巨大威力，只需要把前文提到的“癌症”用其他疾病替换， “耐药性”用其他药物反应替换即可。通过这种方式， DNA条形码可以从根本上简化早期药物的开发，从而加速了有效疗法的研究进程。
把信息写入DNADNA条形码技术依赖于“读”已知的DNA序列，而直到最近， “写”DNA还是不切实际的。总的来说，我认为写DNA是将其他形式的信息，如图片、电影或生物状态，转换成可以存储和读取的DNA序列。许多新的书写技术是由基于“规律成簇的间隔短回文重复”（CRISPR）的基因编辑系统驱动的。通过合理设计CRISPR系统，科学家可以编写DNA序列。
最近的一些进展利用的是CRISPR系统自然进化而来，帮助细菌抵御病毒攻击的办法。具体来讲，病毒通过结合到细菌表面，然后插入它们的DNA或RNA来攻击细菌。为了“记住”病毒，为未来遇袭做准备，细菌进化出了识别病毒DNA或RNA的CRISPR系统，可以将病毒DNA的小片段插入到自己的基因组中。也就是说，细菌可以“写下” ，或者说“记录”之前攻击过自己的病毒的信息，在未来遇袭之时保护自己。
现就职于加利福尼亚大学旧金山分校的塞思·希普曼（Seth Shipman）曾在哈佛大学遗传学家乔治·丘奇（George Church）的研究团队工作，他利用了CRISPR系统，将一张人手的图像记录到了大肠杆菌的基因组中。为了完成这一目标，希普曼和同事首先表达了两种蛋白质：Cas1和Cas2 。这些蛋白质在一起可以捕获DNA的核苷酸并将它们插入基因组中。之后，研究人员将DNA序列“喂”给大肠杆菌，这些序列编码了图像的像素——当所有DNA放在一起测序时，这些像素共同组成一幅完整的人手图像。科学家需要把不同的信息分配给DNA 。例如， A、C、G和T各自代表不同的像素颜色，而关联的DNA条形码序列则编码了像素在整个图像中的空间位置。