DNA:精妙的信息存储体

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1、DNA:精妙的信息存储体提起存储信息的媒介,我们一般想到的是硬盘、光盘,或者还有早先的软盘和磁带,恐怕谁也不会想到,大自然最古老、迄今容量最大的存储媒介其实在我们每个人身上,也在身边每一个生物体内,那就是存储生命密码的DNAO自地球上最早的生命出现以来,大自然通过DNA存储信息至今已经沿用了35亿年。硬盘、光盘在地上摔几次恐怕就要报废,再也读不出数据来”而DNA却不怕摔,不怕冻,经久耐用,即便离开生物体,在自然环境中也能保存数万年而不腐。当然,最令人羡慕不已的还是它那惊人的存储能九我们知道组成DNA的基本单元是脱氧核苜,每个脱氧核苜都

2、带一个碱基,而碱基共有四种类型:腺瞟吟(A)、鸟卩票吟(G)、胸腺嚅睫仃)、胞核腳定(C)。如果用0、1、2、3各代表一个碱基,就组成一个四进制的存储方式。人类基因组包含大约相当于750MB的信息,这么多信息就储存在一条比细胞还小得多的DNA上。这些信息事无巨细地告诉我们的身体:鼻子该长哪儿,眼睛长成什么颜色,某个蛋白该怎么合成……大自然既然早已经为我们发明了这么强大的存储工具,我们为何不利用起来呢?科学家早就想到了这一点,并且近年来随着生物技术的突飞猛进;这一设想正走向现实。在生命体内"刻字起初,科学家的设想是把信息存到生物体的DN

3、A中。我们知道,在DNA上”不仅存放着那些与生命活动有关的基因,还存放着大量曾经与生命活动有关、但后来失效了的基因。我们称这种基因为〃垃圾基因〃。对于有用的基因,一个碱基都不能随便更改,而对于垃圾基因,其上面的碱基不论怎么改动都不会对生命活动造成影响。如果我们把DNA比喻成一本书,这些垃圾基因就相当于书中插进去的一段段乱码。在乱码段落里,里面的字符不论怎么排,都不影响我们对整本书内容的理解,——因为除了傻子,谁会去读这些乱码呢。不可思议的是,在大多数生物体DNA这本大书中,竟然多数段落都是乱码。就拿人类的DNA来说,97%的区域都被垃

4、圾基因占据了z人类基因组22000个有用基因,总长度仅占DNA的3%e于是科学家想,既然DNA±的〃乱码区〃可以随意填写,那何不填写上我们需要保存的信息呢?举个例子。现在要在DNA上存储〃大科技〃三个字。我们先把它们转化为电脑上的二进制码,然后再把二进制码转化为DNA±的〃碱基文字〃,譬如说转化结果是^A-T-T-A-C-C-G^,最后在某个细菌的DNA±的垃圾基因截取一段,把该段的〃乱码文字〃用〃A-T-T-A・C・C-G〃替代。那么随着这个细菌不断繁殖,只要这段区域不发生基因突变,所有后代身上都将带上了^A-T-T-A-C-C-G

5、^这段信息。几百年后,我们的后人只要抓起一个细菌,通过基因测序,把这段代码测出来,就可以还原它所代表的意思——哦,原来是”大科技〃!2000年,美国生物学家就把一段信息〃刻〃进了细菌的体内,当然不是〃大科技〃三个字——我们还没有这么荣幸。他们刻进去的是爱因斯坦著名的质能方程〃E二MC2〃。2003年,有人又把迪斯尼动画片中的一段曲子〃刻〃进了细菌体内。2010年,当首个人造细胞诞生时z领导该项工作的美国基因学家卡耐基•文特尔又把所有参与该项目的科学家的名字’刻’进了人造细胞的DNA上。在人造DNA上刻写顺便提一下,为什么上述实验都要用

6、细菌刻写呢?因为细菌是无性生殖的,也就是说,除非发生基因突变,子代和母代的DNA是完全相同的。有性生殖的生物就不行,因为在交配过程中,基因要发生重组,来自另一方的〃乱码字符〃将插进你刻的信息里头,到了下一代的DNA上,你恐怕就读不出原先的意义来了。这种方法很巧妙,是不是?可惜还有缺点。因为生物体的基因总在发生着突变,不论有用还是没用的基因概不例外。基因突变在分子水平上表现为核昔酸上的碱基要么被取代,要么缺失,要么插进新的碱基。所以,你〃刻写〃在生物体上的信息,一代代随着时间的推移,错误将越来越多,譬如,〃刻〃在细菌DNA上的〃大科技〃

7、过上几千年读出来说不走就成〃小科技〃了,再过上几千年压根儿就完全没有意义了。为了避开这个缺点,由美国哈佛大学的分子生物学家乔治•邱奇领导的一个小组2012年8月尝试了另一种办法。他们所用的材料不是活细胞的DNA,而是人工合成的DNA。人造DNA除了不会发生基因突变这一优点外,还有一个好处是整条DNA都可以用于刻写z不像活细胞的DNAz刻写时你得小心翼翼地避开有用的基因。在刻录的时候,他们先把文字、图片都转化成电脑上的二进制代码;然后用A或C代替0,用G或T代替1(这样做实际上把DNA上的四进制简化成了二进制);最后按这个编码在试管里合

8、成出人造DNA。因为目前人工合成长链DNA还比较困难,他们就采用了好多段短链DNA,这些短链DNA有秩序地排布在玻璃芯片上”信息则被分存在这些短链DNA上,——这类似把硬盘分成几个扇区。读的时候,用基因测序仪器按秩序读出

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