Image: Seth Shipman / Harvard University


生きたDNAストレージの可能性。

DNAには、たとえば人間のなら髪の色とか体型とか血液型など、小さな体積に膨大な情報が入っています。そしてその情報は、A(アデニン)、T(チミン)、G(グアニン)、C(シトシン)の4種類の塩基の組み合わせで表現されています。現在の技術では、DNAの中身を読み取るだけじゃなく、書き換えも可能なんです。…っていうことは、DNAをハードディスクみたいに使って、映画とか写真とかiTunesの中身とかを保存することもできるはず。そんなわけで今、DNAストレージなるものの研究が進んでいます。

とはいえ、これまでのDNAストレージの研究で使われるDNAは、たいていは合成されたものだったのです。そこでハーバードメディカルスクールの研究チームは、生きた細菌のDNAに画像データを書き込む実験を行い、こちらのGIF画像を読み書きすることに成功しました。


Image: Seth Shipman / Harvard University左が元の画像、右が細菌のストレージから再現したもの。


「私たちはこの動画で、あらゆる生物活動を記録するために使おうとしている私たちのシステムの力を示したかったのです」この論文の主著者、Seth Shipman氏は米ギズモードの質問に対し、こう回答しました。「我々のアイデアは、細胞の中で機能し、細胞内やその周りの環境の状況を捉える分子記録装置を作るというものです。実験者がデータ収集のためにシステムを破壊する必要がないようにしたいと考えています」Shipman氏らの論文は、7月12日に学術誌Natureに発表されました。

ここでは遺伝子編集技術CRISPRでも活用されている細菌の免疫システムが利用されています。細菌は「Cas」というたんぱく質を使って、DNAのかけらをウイルスから受け取り、それを将来の攻撃に対する防御システムとしてゲノムの中に挿入するのです。研究チームでは、Casたんぱく質がつねに新たな遺伝子素材を古い遺伝子素材からさかのぼって挿入する性質を利用しました。それによって「最終的に、どのシーケンスがそこにどんな順序で挿入されたのか、文字通り物理的な記録が残るのです」とShipman氏。「実際のタイミング情報は、読み込むゲノムのシーケンスの順序として維持されます。」

研究チームでは最初、DNAに手の画像(記事トップの画像)を保存する実験をしました。彼らは色とピクセルの情報をDNAのA、T、G、Cに変換しました。つまりこのカスタムDNAで、ATGCの配列はどのピクセルがどの色かを示すバーコードになっていたわけです。次に彼らは、大腸菌の細胞膜に電気で一時的に穴を開けてその配列をDNAの中に挿入しました。変換されたデータは細菌の中に入り、Casたんぱく質を使って細胞のゲノムの中に取り込みます。研究チームがこの細菌集団を培養し、その後DNAを読んで解読すると、ちゃんと同じ画像を再現していました。

でもGIFのエンコードはもっと複雑でした。細菌がデータを時系列で保存するのに対し、GIFの情報はたくさんの細胞に散らばってしまったのです。研究チームはひとつの細胞の中でのフレームの順序でしか情報を再現できなかったため、動画の再現には複数の細胞から得た情報を総合する必要がありました。

生きものの中にデータを保存するには制約もあるとShipman氏は言います。研究チームはこれら細胞からたくさんの情報を引き出そうとしていますが、それは画素が消えたり、エラーになったりしてしまいました。そのた、この実験でGIFが再現できたのは90%で、完全ではありませんでした。さらに彼らの手法では、細胞をたくさん読み込むほど再現率が高くなったので、どこまでやるべきか適切なポイントを探す必要がありました。手の画像の再現率が時間とともに改善した様子がこちらでわかります。


Image: Seth Shipman / Harvard University


このような課題もありつつ、生きた細胞にデータを保存することにはメリットがあります。MIT Technology Reviewにコメントしたコロンビア大学のYaniv Erlich氏は、データ保護の強固さをそのひとつにあげました。というのも、細菌の中には核爆発や放射線、超高熱環境にも耐えられるものがあるからです。また前出のコメントにもあるように、Shipman氏らが最終的に目指しているのは単に生きたDVDを作るということではなくて、細胞内外の環境記録装置を作ることです。

その他の研究者も、この研究を興味深く見ています。「この論文に書かれた手法はそれほど新しくはないですが、応用として非常にクールです」マサチューセッツ工科大学のChristopher Voigt氏は米ギズモードに対しメールでコメントしました。彼は細菌でマリオの絵を描いた人物です。「この手法では、低コストなDNA合成・ゲノム編集ツールを使って、絵や動画の情報を生きた細胞のゲノムに書き込んでいます。細胞が複製されるごとに新たなコピーが作られます。新手の海賊素材ですよ! 」

DNAストレージに関しては、Microsoftも商用化に向けて取り組んでいます。何十年かしたら、我々は必要な情報全部を自分自身の中に保存するようになってたりするんでしょうか?

Images: Seth Shipman / Harvard University
Source: Nature、MIT Technology Review, Gizmodo US

Ryan F. Mandelbaum - Gizmodo US[原文]
(福田ミホ)