最新全球刷屏的一篇论文中，美国科学院院士，合成生物学和基因编辑技术奠基人George Church教授的团队成功的利用基因编辑工具CRISPR-CAS系统把一段动画电影写入了大肠杆菌的基因组，并在细菌分裂的后代中无损的还原。该论文（CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria Seth L. Shipman, Jeff Nivala, Jeffrey D. Macklis, George M. Church）在2017年7月12日在线发表在知名学术期刊《自然》杂志上。

一个多世纪后，这段古老的动画和前沿科技进行了一次合作——George Church 教授团队成功将这幅5帧的动画存入了活细胞的DNA中。这个首次‘享此殊荣’的电影片段能随时取出，还能随着细菌的增殖而被无限复制。

此前，George Church教授就是DNA存储方面的知名专家，在DNA存储方面取得了重大突破。他们通过合成了一个可存储96比特数据的DNA链，具体存储方法是为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶分别赋予二进制值（胸腺嘧啶和鸟嘌呤=1，腺嘌呤和胞嘧啶=0），随后通过微流体芯片对基因序列进行合成，从而使该序列的位置与相关数据集相匹配。当需要对数据进行读取时，只需再将基因序列还原为二进制即可。为了方便读取数据，研究人员还在每一个DNA片断的头部加入了19比特的地址块（address block），用此记录其在原始文件中的位置。得益于微流体技术的发展，合成、排列DNA成为了一项较为简单方便的工作。在此之前，人类基因组计划（Human Genome Project）为了研究一个含有30亿对碱基的人类DNA组要耗费数年的时间。现在，在微流体芯片的帮助下，这项工作只要几个小时就能完成。设想一下，1克DNA不到指尖上一滴露珠大小，却能够储存700TB的数据，相当于1.4万张50GB容量的蓝光光盘，或233个3TB的硬盘（差不多要151千克重）。切齐和库苏里在试验中将切齐的新书复制了700亿份储存在DNA中，数据总量达到44PB。

此次George Church 的研究，在此DNA基础数据的基础上，用基因编辑工具CRISPR--CAS实现了活细胞DNA的写入和存储以及数据读取。这其中CRISPR-CAS系统的应用发挥了巨大的作用。

活细胞DNA写入和读取：

1) 研究者使用DNA的基本组成核苷酸生成代码，一个代码关联一张图片的单个像素；

2) 他们将gif序列逐帧传至活细菌，并按传输顺序将它们插入细菌基因组中；

3) 一旦被插入大肠杆菌的基因组中之后，这些数据可以再通过测序DNA重新提取出来，通过读取像素核苷酸代码，可以将图片重构出来，准确度达90%左右

CRISPR技术起关键性作用

将“电影片段”刻进活细菌的DNA看似容易，但事实上为了开发这样一个系统，需要建立一种记录数百个事件的方法。Shipman和包括哈佛大学著名遗传学家George Church在内的同事们，利用著名的CRISPR–CAS免疫系统，使得研究人员准确编辑基因组相对更容易。

论文第一作者，George Church 团队博士后Shipman的利用从入侵病毒捕获的DNA片段并将它们存储在宿主基因组中的有序阵列上；自然地，这些片段可针对一种酶来切割入侵者的DNA（这是典型的遗传学家由于基因编辑的目标DNA切割）。

团队设计了这一系统，使这些片段对应于图像中的像素。研究人员对每个像素的阴影进行编码，并在图像中显示其位置的条形码，并将其分成33个DNA字母，电影的每一帧由104个DNA片段组成。

于是乎，一只手（左）的图像被编码成细菌DNA，然后经过许多代细菌生长后被提取出来。据悉，研究团队以每天5帧的速度将DNA导入大肠杆菌，然后研究人员通过基因测序将细菌群体图像恢复。

这不仅表明CRISPR系统有望使在活细胞中存储一定数量数据成为可能，而且揭示了有关CRISPR系统功能的新认知。例如，作者确定了哪些序列最适合将数据传输至基因组，而这也有望指导CRISPR系统的其它应用。

把细胞变成历史学家

《自然》期刊官网报道称，美国北卡罗莱纳州半导体企业家Victor Zhirnov表示，这项研究是一个革命性成果，“就像是1903年人类发明的第一架飞机，从那时起，10年后，人类拥有的飞机，和今天我们拥有的很相像了。

文章的第一作者、神经学家、哈佛医学院博士后研究员Seth Shipman则表示，希望把细胞变成历史学家，设想一个生物的记忆系统，比今天的技术越要灵活的多。在这个方案中，细胞自身可以被诱导来记录分子事件，如在他们自己的基因组中基因表达随时间的变化；还可以通过对储存在其中的细胞的基因组测序来检索信息。倘若这些转录的步骤成熟，未来我们可以利用自己喜欢的细胞进行DIY操作。

在CRISPR系统的帮助下，Shipman初步实现了在活细胞中储存数据的概念性的设计——DNA存储。此外，他们还测试了哪些序列最适合将数据传输至基因组。