DNAを使って画像を直接保存する「生きた細胞カメラ」は96ピクセルの解像度を持つ

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DNAを使って写真を撮り、そのまま保存できます！

シンガポール国立大学の研究チームは、96ピクセルの解像度でDNAに画像を投影し保存することに成功した。

さらに、同じ DNA 配列を使用して複数の画像を保存することもできます。

従来の DNA ストレージでは、DNA 配列を最初から構築し、人工合成によってエンコードする必要があります。

しかし、この成果は大腸菌から抽出したDNAを直接使用しており、画像をDNAデジタル信号に変換するエンコーダーも生きた細胞です。

そこで、細菌（バクテリア）とカメラ（カメラ）を組み合わせて、チームはこの成果をBacCamと名付けました。

BacCam は DNA ストレージの効率を大幅に向上させるだけでなく、非常に強力な堅牢性を備えており、一般的な特殊環境にも耐えることができます。

関連する論文はNatureのサブジャーナルに掲載されました。

Nvidia の AI 科学者 Jim Fan 氏もこの成果を広めました。

私は生物学の専門家ではありませんが、生物学と機械のシームレスな統合を見るのを楽しみにしています。大規模言語モデル (LLM) を Biology API に導入するのが待ちきれません。

火と水を恐れない

実験では、BacCam は非常に強力な堅牢性を実証しました。

ある画像では、DNAを50,000倍に希釈した後もデータにまったく影響がありませんでした。

希釈された DNA の濃度は 1 リットルあたりわずか 0.36 ピコモル (10 ^-12 ) であり、これはプールの水の中の砂粒よりも数桁低い値です。

しかし、希釈は DNA 分子自体にほとんど影響を与えないため、問題を説明するには不十分である可能性があります。

しかし、溶液が乾燥して元に戻った後も、見慣れた笑顔がはっきりと見えました。

BacCam は複雑な外部環境条件にも簡単に対応できます。

室温ではそのままの状態を保ちますが、凍結や加熱はデータにほとんど影響を与えません。

60 度のオーブンに 1 週​​間置いた後も画像はそのまま残りましたが、70 度では消えてしまいました。

しかし論文によれば、DNAを70度で1週間保つことは、9.4度で2000年間保つことと同等だという。

1時間紫外線にさらされても内部のデータは変化しません。

異なる画像を保存する DNA については、別々に保存する必要はなく、直接混合することができます。

異なる DNA を混合した後、読み取るときは、特定のプライマーを使用して必要な部分のみを増幅する必要があります。

研究チームは、異なる画像を保存した 5 つの DNA セグメントを混合しました。その結果、画像は 1 度読み取るとほぼそのままの状態を保ち、複数回のランダム読み取りの最小精度は 80% でした。

△Bは単一読み取り、Cは複数ランダム読み取り

もしそうなら、それはどのように行われるのでしょうか?

ドットマトリックス処理

BacCam の一般的なワークフローは次のとおりです。

まず、保存する画像を96個の領域に分割します。

次に、特定の波長の光に敏感な反応性リコンビナーゼを使用して、その波長の光の有無に基づいて DNA を編集します。

この「バーコード」スタイルの編集方法は、画像内の各ピクセルの空間位置を直接保持し、追加のエンコードを必要とせずに画像をデジタル化します。

さらに、異なる波長に敏感な光と酵素の多重化機能を利用することで、研究チームは直交する赤と青のカラー画像を重ね合わせ、同じシーケンスを使用して 2 つの画像を保存できるようにしました。

この保存方法により、BacCam は依然として高い精度を維持しています。

研究チームは機械学習を利用して、BacCam のデコード方法を最適化しました。

大量の教師なし学習を経て、DNA コードの自動解釈が実現しました。

チームについて

BacCam 研究チームは、シンガポール国立大学の EngBio 研究所に所属しています。

当研究室では、主に生物学を中核とした学際的な工学研究を行っています。

論文の第一著者は、同研究室の中国人博士課程学生、チェン・カイ・リム氏である。

彼の研究対象は DNA をデータ保存に利用することであり、MBA も取得中です。

リム氏の指導教官であり研究室長でもあるチュエ・ルー・ポー教授が、この論文の責任著者である。

論文アドレス: https://www.nature.com/articles/s41467-023-38876-w