如何看待科学家将视频「放入」大肠杆菌？
把视频“塞进”大肠杆菌？这听起来像是科幻小说里的情节，但科学家们确实在往这个方向努力，只不过方式和我们想象的可能有些出入。我试着把这个过程掰开了揉碎了，讲得更明白些，希望能让你觉得这是个有血有肉的故事，而不是什么冷冰冰的科技报告。
首先，我们得明白一个根本性的问题：我们说的“视频”和微生物“大肠杆菌”之间，隔着一个巨大的技术鸿沟。视频，我们看到的，是无数个瞬间的图像通过光线变化传递到我们眼睛里，形成连续的动态画面。而大肠杆菌，那是个微小的单细胞生物，它的世界是分子、蛋白质和基因。两者根本不是一个层面的东西。
所以，当科学家说“将视频放入大肠杆菌”时，他们不是真的把一个MP4文件，像复制粘贴一样扔进一个活生生的细菌肚子里。那是不可能的。这里的“视频”，更像是一种信息编码。
想象一下，科学家手里有一个视频片段，比如一段很短的风景动画。他们要做的是，把这个视频动画的信息内容，转化成大肠杆菌能够“理解”并“存储”的形式。这个“理解”和“存储”的关键，就在于大肠杆菌的生命活动——它的DNA。
大肠杆菌的DNA，就像一本巨大的生命说明书，里面记录着它如何生长、分裂、制造蛋白质等等。DNA的基本单位是碱基对，有四种A、T、C、G。科学家们就是利用这四种碱基的组合，来编码信息。
这个过程就好比，你要把一本厚厚的百科全书 अनुवाद成一种只有四种字母的语言。这当然是个巨大的挑战，需要一套精密的编码和解码规则。
那么，他们是怎么做的呢？
1. 信息编码：
首先，视频需要被“数字化”。这包括将视频分解成一系列帧（就是一帧帧的画面），然后将每一帧的颜色、亮度等信息转化为数字信号。
接着，这些数字信号会被转换成一种可以用DNA碱基表示的序列。这可不是简单的数字一对一映射，因为DNA只有四种碱基。科学家需要设计一套复杂的算法，将大量的数字信息压缩和编码成相对短的DNA序列。这可能涉及到将颜色信息转化为氨基酸序列，氨基酸再通过某种方式映射到DNA碱基，或者直接将数字信号映射到碱基的排列组合上。
想象一下，视频的每一帧都变成了一段特别长的“字母组合”，比如 AAGTCGGTTAGC... 这样。
2. DNA的合成：
一旦编码完成，科学家就可以利用化学合成的方法，在实验室里“制造”出这段包含视频信息的DNA序列。这就像是根据一张设计图纸，用特定的化学物质搭建出长长的DNA链。
3. 将DNA“放入”大肠杆菌：
这里又有一个关键点。细菌本身就有自己的DNA，科学家要放入的DNA，就像是一个“外来DNA片段”。
他们通常会利用一些技术手段，把这些合成的DNA送进大肠杆菌的细胞里。常用的方法有：
转化（Transformation）： 这是一个比较常见的技术。科学家会先让大肠杆菌的细胞壁变得更容易渗透（比如用化学试剂处理或者短时间的电击），然后将合成的DNA片段暴露在这些“变通透”的细菌旁边。一些细菌会自然地“摄取”这些外来的DNA。
显微注射（Microinjection）： 如果需要更精确地将DNA送入细胞核（虽然细菌没有细胞核，但有类核区），或者确保DNA能够被稳定保留，可以使用极其精细的针头直接将DNA注入到细菌的细胞质中。不过对于大肠杆菌这种体型微小的生物，这种方法比较耗时耗力。
病毒载体（Viral Vector）： 有时也会使用经过改造的噬菌体（一种感染细菌的病毒）来作为载体。科学家将目标DNA片段连接到噬菌体基因组中，然后用这些“被武装”的噬菌体去感染大肠杆菌，这样目标DNA就能被一同“带入”细菌体内。
4. 信息存储和读取：
一旦DNA进入大肠杆菌，它可能会以几种方式存在：
整合到细菌自身的基因组中： 如果合成的DNA片段设计得能够与细菌的DNA整合，它就会成为细菌的一部分，随着细菌分裂而复制下去。
以游离质粒（Plasmid）的形式存在： 细菌细胞内常常有一些小型的环状DNA，称为质粒。科学家可以将合成的DNA片段连接到质粒上，然后将这个“载有信息”的质粒送入细菌。质粒在大肠杆菌内可以独立复制。
那么，怎么把视频信息“读”出来呢？
这才是最难也最令人兴奋的部分。科学家需要设计一种机制，让大肠杆菌在接收到某种“触发信号”后，能够“读取”这些DNA中的信息。
“读取”的方式不是直接播放视频，而是通过将DNA序列翻译成蛋白质。科学家们可以通过基因工程，设计一套系统：当细菌的特定基因被激活时，它会根据DNA中的指令合成某种荧光蛋白，或者某种有特定功能的蛋白质。
通过观察细菌产生的荧光颜色、强度，或者检测特定的蛋白质，科学家们就能推断出DNA中编码的信息。如果编码的DNA代表着一个画面，那么细菌可能就会在某个时刻发出某种颜色的荧光，或者在不同时间发出不同颜色的光，这可以被解读为像素点的颜色。
更进一步，科学家们的目标是让细菌能够响应这个DNA信息，并根据信息“表现”出相应的行为或产物。比如，某个DNA片段编码的信息是“在黑暗中发光”，那么当细菌接收到这个DNA后，在黑暗中就会发光。这虽然不是直接播放视频，但已经是在利用DNA来执行视频中的指令了。
为什么要做这个？有什么意义？
这可不是为了让细菌看电影解闷。这项技术更像是对 “DNA作为信息存储介质” 的一种探索和验证。
超高密度信息存储： DNA的存储密度是目前任何电子存储介质都无法比拟的。理论上，一克的DNA可以存储天文数字般的信息量。如果这项技术成熟，我们或许能把人类所有的知识都存储在几克DNA里，并且可以稳定保存非常长的时间。
活体存储： 这是一个全新的概念。将信息“放入”活的生物体内，意味着信息可以随着生物的繁衍而复制，甚至可以与生物本身的功能相结合。想象一下，如果一个生物体内存储了某种重要的基因信息，并且能在特定环境下被激活，那将是多么强大的应用。
生物计算和生物传感器： DNA信息可以被设计成触发生物体的特定反应，这为生物计算（用生物体进行计算）和开发新型生物传感器提供了可能。比如，我们可以设计细菌，当检测到某种污染物时，它就会激活存储在DNA中的某个基因，从而发出荧光报警。
“活的”信息载体： 这项技术正在模糊信息与生命之间的界限。它让我们思考，信息是否可以被赋予生命，生命是否可以成为信息的载体，并且在“活”的过程中进行信息的编码、存储和传递。
举个例子来理解一下：
打个不恰当的比方，科学家不是把一部电影的DVD放进细菌，而是把电影的故事梗概写成一段特别精简的文字，这段文字是用只有“A, T, C, G”这四种字母的语言写成的。然后，他们把这段“故事梗概”的DNA序列通过化学方法造出来，再用某种方式“喂给”大肠杆菌。
这只大肠杆菌有了这段“故事梗概”的DNA后，它可能不会“播放”这个故事，但它可能会因此改变自己的行为。比如，如果“故事梗概”里写的是“在蓝色光照射下发蓝光”，那么当科学家用蓝色光照射这只细菌时，它就会发出蓝光。科学家通过这种方式，就“读取”了储存在细菌DNA里的“故事梗概”的一部分信息。
现在科学家们还在非常早期阶段，他们通常编码的是一些非常简单的视觉信息，比如特定的颜色点，或者几帧的简单动画。但这个方向的潜力是巨大的。它不仅仅是关于存储信息，更是关于如何将信息“活化”，让生物体能够“读懂”并“执行”信息。
总而言之，把视频“放入”大肠杆菌，并非字面意义上的播放视频，而是将视频的信息编码到DNA中，再通过生物技术手段将DNA送入细菌，并设计让细菌能够以某种方式“表达”或“响应”这些信息。这是一个融合了信息科学、分子生物学和合成生物学的尖端领域，充满了挑战，也充满了令人惊叹的可能性。
首先，我们得明白一个根本性的问题：我们说的“视频”和微生物“大肠杆菌”之间，隔着一个巨大的技术鸿沟。视频，我们看到的，是无数个瞬间的图像通过光线变化传递到我们眼睛里，形成连续的动态画面。而大肠杆菌，那是个微小的单细胞生物，它的世界是分子、蛋白质和基因。两者根本不是一个层面的东西。
所以，当科学家说“将视频放入大肠杆菌”时，他们不是真的把一个MP4文件，像复制粘贴一样扔进一个活生生的细菌肚子里。那是不可能的。这里的“视频”，更像是一种信息编码。
想象一下，科学家手里有一个视频片段，比如一段很短的风景动画。他们要做的是，把这个视频动画的信息内容，转化成大肠杆菌能够“理解”并“存储”的形式。这个“理解”和“存储”的关键，就在于大肠杆菌的生命活动——它的DNA。
大肠杆菌的DNA，就像一本巨大的生命说明书，里面记录着它如何生长、分裂、制造蛋白质等等。DNA的基本单位是碱基对，有四种A、T、C、G。科学家们就是利用这四种碱基的组合，来编码信息。
这个过程就好比，你要把一本厚厚的百科全书 अनुवाद成一种只有四种字母的语言。这当然是个巨大的挑战，需要一套精密的编码和解码规则。
那么，他们是怎么做的呢？
1. 信息编码：
首先，视频需要被“数字化”。这包括将视频分解成一系列帧（就是一帧帧的画面），然后将每一帧的颜色、亮度等信息转化为数字信号。
接着，这些数字信号会被转换成一种可以用DNA碱基表示的序列。这可不是简单的数字一对一映射，因为DNA只有四种碱基。科学家需要设计一套复杂的算法，将大量的数字信息压缩和编码成相对短的DNA序列。这可能涉及到将颜色信息转化为氨基酸序列，氨基酸再通过某种方式映射到DNA碱基，或者直接将数字信号映射到碱基的排列组合上。
想象一下，视频的每一帧都变成了一段特别长的“字母组合”，比如 AAGTCGGTTAGC... 这样。
2. DNA的合成：
一旦编码完成，科学家就可以利用化学合成的方法，在实验室里“制造”出这段包含视频信息的DNA序列。这就像是根据一张设计图纸，用特定的化学物质搭建出长长的DNA链。
3. 将DNA“放入”大肠杆菌：
这里又有一个关键点。细菌本身就有自己的DNA，科学家要放入的DNA，就像是一个“外来DNA片段”。
他们通常会利用一些技术手段，把这些合成的DNA送进大肠杆菌的细胞里。常用的方法有：
转化（Transformation）： 这是一个比较常见的技术。科学家会先让大肠杆菌的细胞壁变得更容易渗透（比如用化学试剂处理或者短时间的电击），然后将合成的DNA片段暴露在这些“变通透”的细菌旁边。一些细菌会自然地“摄取”这些外来的DNA。
显微注射（Microinjection）： 如果需要更精确地将DNA送入细胞核（虽然细菌没有细胞核，但有类核区），或者确保DNA能够被稳定保留，可以使用极其精细的针头直接将DNA注入到细菌的细胞质中。不过对于大肠杆菌这种体型微小的生物，这种方法比较耗时耗力。
病毒载体（Viral Vector）： 有时也会使用经过改造的噬菌体（一种感染细菌的病毒）来作为载体。科学家将目标DNA片段连接到噬菌体基因组中，然后用这些“被武装”的噬菌体去感染大肠杆菌，这样目标DNA就能被一同“带入”细菌体内。
4. 信息存储和读取：
一旦DNA进入大肠杆菌，它可能会以几种方式存在：
整合到细菌自身的基因组中： 如果合成的DNA片段设计得能够与细菌的DNA整合，它就会成为细菌的一部分，随着细菌分裂而复制下去。
以游离质粒（Plasmid）的形式存在： 细菌细胞内常常有一些小型的环状DNA，称为质粒。科学家可以将合成的DNA片段连接到质粒上，然后将这个“载有信息”的质粒送入细菌。质粒在大肠杆菌内可以独立复制。
那么，怎么把视频信息“读”出来呢？
这才是最难也最令人兴奋的部分。科学家需要设计一种机制，让大肠杆菌在接收到某种“触发信号”后，能够“读取”这些DNA中的信息。
“读取”的方式不是直接播放视频，而是通过将DNA序列翻译成蛋白质。科学家们可以通过基因工程，设计一套系统：当细菌的特定基因被激活时，它会根据DNA中的指令合成某种荧光蛋白，或者某种有特定功能的蛋白质。
通过观察细菌产生的荧光颜色、强度，或者检测特定的蛋白质，科学家们就能推断出DNA中编码的信息。如果编码的DNA代表着一个画面，那么细菌可能就会在某个时刻发出某种颜色的荧光，或者在不同时间发出不同颜色的光，这可以被解读为像素点的颜色。
更进一步，科学家们的目标是让细菌能够响应这个DNA信息，并根据信息“表现”出相应的行为或产物。比如，某个DNA片段编码的信息是“在黑暗中发光”，那么当细菌接收到这个DNA后，在黑暗中就会发光。这虽然不是直接播放视频，但已经是在利用DNA来执行视频中的指令了。
为什么要做这个？有什么意义？
这可不是为了让细菌看电影解闷。这项技术更像是对 “DNA作为信息存储介质” 的一种探索和验证。
超高密度信息存储： DNA的存储密度是目前任何电子存储介质都无法比拟的。理论上，一克的DNA可以存储天文数字般的信息量。如果这项技术成熟，我们或许能把人类所有的知识都存储在几克DNA里，并且可以稳定保存非常长的时间。
活体存储： 这是一个全新的概念。将信息“放入”活的生物体内，意味着信息可以随着生物的繁衍而复制，甚至可以与生物本身的功能相结合。想象一下，如果一个生物体内存储了某种重要的基因信息，并且能在特定环境下被激活，那将是多么强大的应用。
生物计算和生物传感器： DNA信息可以被设计成触发生物体的特定反应，这为生物计算（用生物体进行计算）和开发新型生物传感器提供了可能。比如，我们可以设计细菌，当检测到某种污染物时，它就会激活存储在DNA中的某个基因，从而发出荧光报警。
“活的”信息载体： 这项技术正在模糊信息与生命之间的界限。它让我们思考，信息是否可以被赋予生命，生命是否可以成为信息的载体，并且在“活”的过程中进行信息的编码、存储和传递。
举个例子来理解一下：
打个不恰当的比方，科学家不是把一部电影的DVD放进细菌，而是把电影的故事梗概写成一段特别精简的文字，这段文字是用只有“A, T, C, G”这四种字母的语言写成的。然后，他们把这段“故事梗概”的DNA序列通过化学方法造出来，再用某种方式“喂给”大肠杆菌。
这只大肠杆菌有了这段“故事梗概”的DNA后，它可能不会“播放”这个故事，但它可能会因此改变自己的行为。比如，如果“故事梗概”里写的是“在蓝色光照射下发蓝光”，那么当科学家用蓝色光照射这只细菌时，它就会发出蓝光。科学家通过这种方式，就“读取”了储存在细菌DNA里的“故事梗概”的一部分信息。
现在科学家们还在非常早期阶段，他们通常编码的是一些非常简单的视觉信息，比如特定的颜色点，或者几帧的简单动画。但这个方向的潜力是巨大的。它不仅仅是关于存储信息，更是关于如何将信息“活化”，让生物体能够“读懂”并“执行”信息。
总而言之，把视频“放入”大肠杆菌，并非字面意义上的播放视频，而是将视频的信息编码到DNA中，再通过生物技术手段将DNA送入细菌，并设计让细菌能够以某种方式“表达”或“响应”这些信息。这是一个融合了信息科学、分子生物学和合成生物学的尖端领域，充满了挑战，也充满了令人惊叹的可能性。
网友意见
科学技术层面，nonsense. 很科普，适合发表在Scientific American上。
完美论证了“破事水”这三个字。
搁在普通人，也就是个uc 头条，即使大牛也是走个nature news ，没想到竟然是论文。
不过从文章的接稿信息来看，其实还是送审了，而非编辑随便定的。2016年接的，2017年发表的
Received 22 August 2016 Accepted 02 June 2017 Published online 12 July 2017
单位是
Department of Genetics, Harvard Medical School, 77 Avenue Louis Pasteur, Boston, Massachusetts 02115, USA
文章的意义是
This work demonstrates that this system can capture and stably store practical amounts of real data within the genomes of populations of living cells.
本文论证了这个系统可以在活细胞群中捕获和稳定储存实际数据
回头我写两句诗进去看看能行不，说不定可以实现大肠杆菌永生化。
发表在Nature这样的杂志上，我觉得很大程度上是因为通讯作者是大犇George Church，不但名声好，而且特别会玩媒体，能帮Nature吸引流量。
而且存个gif，给高中生5000刀每人summer school做个小实践，非常寓教于乐。
但是工作的科学性本身…不客气地讲，毫无卵用。
DNA存储其实这两年新闻也不少呀，作为synbio的一个小分支，其实走的非常远了。
现在DNA可以很低成本地合成非常大的片段。与其设计520个小片段分别导入细菌，为什么不直接合成一个包含同样信息的大片段，一次性放进去呢？对于细菌DNA大规模的改造，直接合成DNA去替换原有的DNA，一定是比一个一个进行engineering要来得方便、便宜、高效得多。其实连Church实验室自己的人也是这么认为的，他们年初的对大肠杆菌遗传编码的改造，就是基于DNA合成和替换，而不是使用CRISPR甚至更古老的MAGE对DNA一个点一个点的修饰改造实现的。Design, synthesis, and testing toward a 57-codon genome
不要以为能在细菌里存个gif就了不得了。直接用DNA存储效率不知道高到哪里去。这个idea最早也是Church lab开始做的，2016年能够无损存储22MB。同一年，巨硬公司、Twist和华盛顿大学的合作项目走得更远，可以用一根铅笔尖大小的DNA存储200MB的信息，而且可以无损读出！（200MB！存个小黄片都轻轻松松。）
粉色部分是被染色的DNA，Microsoft and University of Washington researchers set record for DNA storage - Next at Microsoft
For now, the bar is set at 200 megabytes. That’s how much data the researchers were able to encode in synthetic DNA pairings, and then correctly read out again. The encoded files included a high-definition music video by the band OK Go, titled “This Too Shall Pass”… the Universal Declaration of Human Rights in more than 100 languages … the top 100 books from Project Gutenberg … and the Crop Trust’s global seed database.
既然我们已经能够在DNA存储如此可观的信息，为什么还要把信息存储在细胞里面呢？而且似乎没有任何优势呀：这篇文章的方法中，不同值的存储效率差别非常之大。单个细胞的DNA所存储的信息也并不准确，需要整个群体才能正确读出，然而精度也远远不如只用DNA。随着整个种群的不断复制繁殖，这段信息很快就会随着种群的进化而失真。而相比而言，干燥的DNA稳定程度之高，可以保存数个世纪。
我估计这也是为什么这篇逻辑链条如此清晰的文章审稿用了一年多。但是George毕竟强无敌，还是把审稿说服了……
Church还玩上瘾了……以前写了venter一句话，后来church就编辑过一本书进dna了
现在一个gif，就内容来讲好不新鲜啊，不过这次是使用crispr塞进去的而已，而原核生物由于没有同源染色体的同源重组来修复切口，crispr在原核生物中的应用是有些技术困难的
如果吹『DNA存储』的故事的话，是压根用DNA分子就好了不需要塞进细胞，塞进细胞还会被细菌自己突变甚至干掉……
科学上嘛，显然是没有任何卵用的
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