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DNA：精妙的信息存储体


DNA：精妙的信息存储体


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DNA：精妙的信息存储体


大科技大科技将及时为广大读者推介《大科技*科学之谜》精彩内容 。 3487篇原创内容公众号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DNA 。
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力 。 我们知道组成DNA的基本单元是脱氧核苷 ， 每个脱氧核苷都带一个碱基 ， 而碱基共有四种类型：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)、胞核嘧啶(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DNA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%的区域都被垃圾基因占据了 ， 人类基因组22000个有用基因 ， 总长度仅占DNA的3% 。
于是科学家想 ， 既然DNA上的“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上的“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上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”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=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 ， 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苷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”过上几千年读出来说不定就成“小科技”了 ， 再过上几千年压根儿就完全没有意义了 。

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