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DNA可以用來(lái)拍照了，而且是直接存進(jìn)去的那種！

新加坡國(guó)立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功將圖像投影到DNA上并進(jìn)行了存儲(chǔ)，分辨率達(dá)到了96像素。

甚至，利用同一段DNA序列，還能存儲(chǔ)多張！

傳統(tǒng)的DNA存儲(chǔ)需要從頭開(kāi)始構(gòu)建DNA序列，并通過(guò)人工合成的方式編碼。

但這一成果直接使用從大腸桿菌中提取到的DNA，將圖像轉(zhuǎn)換成DNA數(shù)字信號(hào)的編碼器也是活細(xì)胞。

于是，通過(guò)將細(xì)菌(Bacteria)和照相機(jī)(Camera)結(jié)合，團(tuán)隊(duì)把這一成果命名為BacCam。

BacCam不僅將DNA存儲(chǔ)的效率大大提高，還具有極強(qiáng)的魯棒性，常見(jiàn)的一些特殊環(huán)境都能耐受。

相關(guān)論文已經(jīng)登上了Nature子刊。

英偉達(dá)AI科學(xué)家范麟熙（Jim Fan）也轉(zhuǎn)發(fā)了這一成果。

雖然我不是生物學(xué)專家，但我很期待看到生物和機(jī)器之間的無(wú)縫銜接。我已經(jīng)迫不及待地想要把大語(yǔ)言模型（LLM）掛載到「生物API」上了！

無(wú)懼水深火熱

實(shí)驗(yàn)中，BacCam展現(xiàn)出了極強(qiáng)的魯棒性。

對(duì)于其中一張圖像，將DNA稀釋5萬(wàn)倍之后，數(shù)據(jù)沒(méi)有受到絲毫影響。

稀釋后的DNA濃度只有0.36皮(10^-12)摩爾每升，比在水池中放一粒沙子還要低上那么幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

不過(guò)，稀釋對(duì)DNA分子本身影響不大，可能還不足以說(shuō)明問(wèn)題。

但將溶液烘干之后復(fù)原，熟悉的笑臉依舊清晰可見(jiàn)。

對(duì)于復(fù)雜的外部環(huán)境條件，BacCam也能輕松應(yīng)對(duì)。

除了在室溫條件下能保持完好之外，冷凍和加熱也都對(duì)數(shù)據(jù)沒(méi)有什么影響。

在60度的烘箱當(dāng)中放上一周，圖像仍然完好無(wú)損，不過(guò)70度就不行了。

但據(jù)論文中介紹，把DNA在70度環(huán)境下放上一周，相當(dāng)于在9.4度下放兩千年。

就算用紫外線照上一個(gè)小時(shí)，里面的數(shù)據(jù)依舊巋然不動(dòng)。

而對(duì)于存儲(chǔ)不同圖像的DNA，也無(wú)需分別進(jìn)行保存，直接混在一起就可以了。

將不同DNA混合后，讀取時(shí)，只需要使用特定引物，對(duì)需要的部分進(jìn)行擴(kuò)增。

團(tuán)隊(duì)將5段存儲(chǔ)不同圖像的DNA混在了一起，結(jié)果單次讀取時(shí)圖像幾乎能保持完整，多次隨機(jī)讀取的最低準(zhǔn)確率也有80%。

△B行為單次讀取，C行為多次隨機(jī)讀取

既然如此，它是如何做到的呢？

點(diǎn)陣化方式處理

BacCam大致的工作流程是醬嬸兒的：

首先，要存儲(chǔ)的圖像被分割成96個(gè)區(qū)域。

然后，利用對(duì)特定波長(zhǎng)光線敏感的反應(yīng)重組酶，根據(jù)該波長(zhǎng)光的有無(wú)，對(duì)DNA進(jìn)行編輯。

這種“條形碼”式的編輯方式直接保留了圖像中各像素點(diǎn)的空間位置，使圖像數(shù)字化，而不需要額外進(jìn)行編碼。

此外，利用光的復(fù)用能力和對(duì)不同波長(zhǎng)敏感的酶，團(tuán)隊(duì)將正交的紅藍(lán)兩種顏色圖像分層，實(shí)現(xiàn)了用同一段序列存儲(chǔ)兩個(gè)圖像。

這種存儲(chǔ)方式下，BacCam依舊擁有很高的準(zhǔn)確率。

利用機(jī)器學(xué)習(xí)方式，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)BacCam的解碼方式進(jìn)行了優(yōu)化。

經(jīng)過(guò)大量的無(wú)監(jiān)督式學(xué)習(xí)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了DNA編碼的自動(dòng)化解讀。

團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

BacCam的研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)EngBio實(shí)驗(yàn)室。

該實(shí)驗(yàn)室主要進(jìn)行以生物學(xué)為核心的多學(xué)科交叉工程研究。

論文第一作者是來(lái)自該實(shí)驗(yàn)室的華人博士生Cheng Kai Lim。

他的研究方向是利用DNA進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)還在攻讀MBA學(xué)位。

Lim的導(dǎo)師、實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Chueh Loo Poh教授是本文的通訊作者。

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