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用DNA直接存儲圖像,「活細胞相機」分辨率達96像素

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用DNA直接存儲圖像,直接「活細胞相機」分辨率達96像素 | Nature子刊2023-08-28 13:44:18 來源: 量子位 北京  舉報 0 分享至

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克雷西 發自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI

DNA可以用來拍照了,存儲而且是圖像直接存進去的那種!

新加坡國立大學的活細研究團隊成功將圖像投影到DNA上并進行了存儲,分辨率達到了96像素。胞相辨率

甚至,機分利用同一段DNA序列,達像還能存儲多張!直接



傳統的DNA存儲需要從頭開始構建DNA序列,并通過人工合成的圖像方式編碼。

但這一成果直接使用從大腸桿菌中提取到的活細DNA,將圖像轉換成DNA數字信號的胞相辨率編碼器也是活細胞。

于是機分,通過將細菌(Bacteria)和照相機(Camera)結合,達像團隊把這一成果命名為BacCam。直接

BacCam不僅將DNA存儲的效率大大提高,還具有極強的魯棒性,常見的一些特殊環境都能耐受。

相關論文已經登上了Nature子刊。



英偉達AI科學家范麟熙(Jim Fan)也轉發了這一成果。

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



無懼水深火熱

實驗中,BacCam展現出了極強的魯棒性。

對于其中一張圖像,將DNA稀釋5萬倍之后,數據沒有受到絲毫影響。

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數量級。



不過,稀釋對DNA分子本身影響不大,可能還不足以說明問題。

但將溶液烘干之后復原,熟悉的笑臉依舊清晰可見。



對于復雜的外部環境條件,BacCam也能輕松應對。

除了在室溫條件下能保持完好之外,冷凍和加熱也都對數據沒有什么影響。

在60度的烘箱當中放上一周,圖像仍然完好無損,不過70度就不行了。

但據論文中介紹,把DNA在70度環境下放上一周,相當于在9.4度下放兩千年。

就算用紫外線照上一個小時,里面的數據依舊巋然不動。



而對于存儲不同圖像的DNA,也無需分別進行保存,直接混在一起就可以了。

將不同DNA混合后,讀取時,只需要使用特定引物,對需要的部分進行擴增。

團隊將5段存儲不同圖像的DNA混在了一起,結果單次讀取時圖像幾乎能保持完整,多次隨機讀取的最低準確率也有80%。


△B行為單次讀取,C行為多次隨機讀取

既然如此,它是如何做到的呢?

點陣化方式處理

BacCam大致的工作流程是醬嬸兒的:

首先,要存儲的圖像被分割成96個區域。

然后,利用對特定波長光線敏感的反應重組酶,根據該波長光的有無,對DNA進行編輯。



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

此外,利用光的復用能力和對不同波長敏感的酶,團隊將正交的紅藍兩種顏色圖像分層,實現了用同一段序列存儲兩個圖像。



這種存儲方式下,BacCam依舊擁有很高的準確率。



利用機器學習方式,研究團隊對BacCam的解碼方式進行了優化。

經過大量的無監督式學習,已經實現了DNA編碼的自動化解讀。



團隊簡介

BacCam的研究團隊來自新加坡國立大學EngBio實驗室。

該實驗室主要進行以生物學為核心的多學科交叉工程研究。

論文第一作者是來自該實驗室的華人博士生Cheng Kai Lim。

他的研究方向是利用DNA進行數據存儲,同時還在攻讀MBA學位。

Lim的導師、實驗室負責人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

參考鏈接:
https://twitter.com/DrJimFan/status/1676626884141129730

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