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用 DNA 直接存储图像,「活细胞相机」分辨率达 96 像素 | Nature 子刊

量子位 2023/8/28 15:20:57 责编:远洋

DNA 可以用来拍照了,而且是直接存进去的那种!

新加坡国立大学的研究团队成功将图像投影到 DNA 上并进行了存储,分辨率达到了 96 像素。

甚至,利用同一段 DNA 序列,还能存储多张!

传统的 DNA 存储需要从头开始构建 DNA 序列,并通过人工合成的方式编码。

但这一成果直接使用从大肠杆菌中提取到的 DNA,将图像转换成 DNA 数字信号的编码器也是活细胞。

于是,通过将细菌 (Bacteria) 和照相机 (Camera) 结合,团队把这一成果命名为 BacCam。

BacCam 不仅将 DNA 存储的效率大大提高,还具有极强的鲁棒性,常见的一些特殊环境都能耐受。

相关论文已经登上了 Nature 子刊。

英伟达 AI 科学家范麟熙(Jim Fan)也转发了这一成果。

虽然我不是生物学专家,但我很期待看到生物和机器之间的无缝衔接。我已经迫不及待地想要把大语言模型(LLM)挂载到「生物 API」上了!

无惧水深火热

实验中,BacCam 展现出了极强的鲁棒性。

对于其中一张图像,将 DNA 稀释 5 万倍之后,数据没有受到丝毫影响。

稀释后的 DNA 浓度只有 0.36 皮 (10-12) 摩尔每升,比在水池中放一粒沙子还要低上那么几个数量级。

不过,稀释对 DNA 分子本身影响不大,可能还不足以说明问题。

但将溶液烘干之后复原,熟悉的笑脸依旧清晰可见。

对于复杂的外部环境条件,BacCam 也能轻松应对。

除了在室温条件下能保持完好之外,冷冻和加热也都对数据没有什么影响。

在 60 度的烘箱当中放上一周,图像仍然完好无损,不过 70 度就不行了。

但据论文中介绍,把 DNA 在 70 度环境下放上一周,相当于在 9.4 度下放两千年。

就算用紫外线照上一个小时,里面的数据依旧岿然不动。

而对于存储不同图像的 DNA,也无需分别进行保存,直接混在一起就可以了。

将不同 DNA 混合后,读取时,只需要使用特定引物,对需要的部分进行扩增。

团队将 5 段存储不同图像的 DNA 混在了一起,结果单次读取时图像几乎能保持完整,多次随机读取的最低准确率也有 80%。

△ B 行为单次读取,C 行为多次随机读取

既然如此,它是如何做到的呢?

点阵化方式处理

BacCam 大致的工作流程是酱婶儿的:

首先,要存储的图像被分割成 96 个区域。

然后,利用对特定波长光线敏感的反应重组酶,根据该波长光的有无,对 DNA 进行编辑。

这种“条形码”式的编辑方式直接保留了图像中各像素点的空间位置,使图像数字化,而不需要额外进行编码。

此外,利用光的复用能力和对不同波长敏感的酶,团队将正交的红蓝两种颜色图像分层,实现了用同一段序列存储两个图像。

这种存储方式下,BacCam 依旧拥有很高的准确率。

利用机器学习方式,研究团队对 BacCam 的解码方式进行了优化。

经过大量的无监督式学习,已经实现了 DNA 编码的自动化解读。

团队简介

BacCam 的研究团队来自新加坡国立大学 EngBio 实验室。

该实验室主要进行以生物学为核心的多学科交叉工程研究。

论文第一作者是来自该实验室的华人博士生 Cheng Kai Lim。

他的研究方向是利用 DNA 进行数据存储,同时还在攻读 MBA 学位。

Lim 的导师、实验室负责人 Chueh Loo Poh 教授是本文的通讯作者。

论文地址:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-38876-w

参考链接:

https://twitter.com/DrJimFan/status/1676626884141129730

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关键词:DNA存储

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