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【轉】如何科學地把亂七八糟的東西刻進DNA

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本文章轉載自WeChat官方帳號『小L的平行宇宙』，作者James Li。轉載已經過作者同意，未經允許嚴禁二次轉載！

友情提示：以下內容中的情節存在虛構加工，僅供參考。警告！免責聲明

將非人體物質注入人體可能會導致超級細菌，嚴重感染等問題，造成任何後果本官方帳號概不負責。進行醫學類型實驗必須在有生化防護的生化實驗室且有專業人員監督的情況下進行，並且確保經過醫學倫理委員會等部門的批准。進行實驗過後務必以醫療垃圾的處理方式處理垃圾！

人体以外の物質を人体に注入すると、スーパーバクテリア、深刻な感染症などの問題が発生する可能性があります。この公式アカウントはいかなる結果にも責任を負いません。医学実験は、生化学的保護があり、専門家の監督下にある生化学的実験室で行われなければならず、医学倫理委員会および他の部門によって承認されなければなりません。実験後のごみは、医療用ごみと同じように処理してください！

Tiêm chất không phải người vào cơ thể người có thể gây ra siêu vi khuẩn, nhiễm trùng nghiêm trọng và các vấn đề khác. Tài khoản chính thức này không chịu trách nhiệm cho bất kỳ hậu quả nào. Các thí nghiệm y tế phải được thực hiện trong phòng thí nghiệm sinh hóa với sự bảo vệ sinh hóa và dưới sự giám sát của các chuyên gia, và phải được sự chấp thuận của ủy ban y đức và các khoa khác. Sau thí nghiệm, hãy chắc chắn xử lý rác theo cách tương tự như rác y tế!

Injecting non-human substances into the human body may cause super bacteria, serious infections and other problems. This official account is not responsible for any consequences. Medical experiments must be carried out in a biochemical laboratory with biochemical protection and under the supervision of professionals, and must be approved by the medical ethics committee and other departments. After the experiment, be sure to treat the garbage in the same way as medical garbage!

據某些科學研究表明，一平方毫米的DNA可以存儲586TB的資料，也就是說人身體裡的DNA可以存儲高達135,190.2PB的資料。所以說，BiliBili上『刻進DNA裡的旋律』是有科學依據的。

為了把檔存儲到DNA，你首先需要知道DNA是如何存儲資料的。表達資料的為四種堿基，分別是分別是腺嘌呤（adenine，A）、胞嘧啶（cytosine，C）、鳥嘌呤（guanine，G）與胸腺嘧啶（thymine，T），在轉錄為RNA時胸腺嘧啶會被尿嘧啶（U）所替代。上述DNA會被轉錄為RNA，之後生成蛋白被表達。

就像電腦資料表中的16進位一樣，遺傳也有標準密碼表與反向表：

刻在主要磁碟區最開始的著作權協議

遺傳密碼與反向密碼子表（來源：Wikipedia）

將AGCT編組轉化為二進位就是 A-00 G-01 C-10 T-11，所以我們只需要將檔轉化為16進位，之後轉為2進位，將其轉為DNA單鏈，之後通過A-T連結，C-G連結（總感覺有點怪怪的（？）），就可以變為DNA雙鏈了。之後，你只需要找個基因工程實驗室，燒錄進去就行了。

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1.ASCII編碼

在電腦中，每個資料最後都會變為2進制字串（一堆二進位）來表示，每位元組即8個bit（二進位位元）就有256個組合，也就是說，一個位元組一共可以用來表示256種不同的狀態，每一個狀態對應一個符號，就是256個符號，從0000000到11111111。

上個世紀60年代，美國制定了一套字元編碼，對英語字元與二進位位元之間的關係，做了統一規定。這被稱為ASCII碼，一直沿用至今。

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2.非ASCII編碼

英文用128個符號編碼就夠了，但是表示其他語言，128個符號是不夠的。比如，在法語中，字母上方有注音符號，它就無法用ASCII碼表示。於是，一些歐洲國家就決定，利用位元組中閒置的最高位元編入新的符號。比如，法語中的é的編碼為130（二進位10000010）。這樣一來，這些歐洲國家使用的編碼體系，可以表示最多256個符號。

但是，這裡又出現了新的問題。不同的國家有不同的字母，因此，哪怕它們都使用256個符號的編碼方式，代表的字母卻不一樣。比如，130在法語編碼中代表了é，在希伯來語編碼中卻代表了字母Gimel (ג)，在俄語編碼中又會代表另一個符號。但是不管怎樣，所有這些編碼方式中，0—127表示的符號是一樣的，不一樣的只是128—255的這一段。

至於亞洲國家的文字，使用的符號就更多了，漢字就多達10萬左右。一個位元組只能表示256種符號，肯定是不夠的，就必須使用多個位元組表達一個符號。比如，簡體中文常見的編碼方式是GB2312，使用兩個位元組表示一個漢字，所以理論上最多可以表示256x256=65536個符號。

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3.GB2312

GB/T 2312標準共收錄6763個漢字，其中一級漢字3755個，二級漢字3008個；同時收錄了包括拉丁字母、希臘字母、日文平假名及片假名字母、俄語西裡爾字母在內的682個字元。

GB/T 2312中對所收漢字進行了「分區」處理，每區含有94個漢字／符號，共計94個區。用所在的區和位元來表示字元（實際上就是碼位），因此稱為區位碼（或許叫「區位號」更為恰當）。表示方式也稱為區位元碼。例如「萬」字在45區82位，所以「萬」字的區位碼是：45 82（注意，GB類漢字編碼為雙字元編碼，因此，45相當於高位字元，82相當於低位字元）。

01 ~ 09區（682個）：特殊符號、數字、英文字元、定位字元等，包括拉丁字母、希臘字母、日文平假名及片假名字母、俄語西裡爾字母等在內的682個全形字元；
10 ~ 15區：空區，留待擴展；在附錄3，第10區推薦作為 GB 1988–80 中的94個圖形字元區域（即第3區字元之半形版本）。
16 ~ 55區（3755個）：常用漢字（也稱一級漢字），按拼音排序；
56 ~ 87區（3008個）：非常用漢字（也稱二級漢字），按部首/筆畫排序；
88 ~ 94區：空區，留待擴展。

在使用GB/T 2312的程式通常採用EUC儲存方法，以便相容於ASCII。這種格式稱為EUC-CN。瀏覽器編碼表上的「GB2312」就是指這種標記法。

每個漢字及符號以兩個字元來表示。第一個字元稱為「高位字元」，第二個字元稱為「低位字元」。

「高位字元」使用了0xA1–0xF7（把01–87區的區號加上0xA0），「低位字元」使用了0xA1–0xFE（把01–94加上0xA0）。由於一級漢字從16區起始，漢字區的「高位字元」的範圍是0xB0–0xF7，「低位字元」的範圍是0xA1–0xFE，佔用的碼位是72*94=6768。其中有5個空位是D7FA–D7FE。

例如「啊」字在大多數程式中，會以兩個字元，0xB0（第一個字元）0xA1（第二個字元）儲存。（與區位碼對比：0xB0=0xA0+16,0xA1=0xA0+1）。

對「不規範簡化字」和繁體字的收錄
收了兩個不合乎中華人民共和國標準的簡化字：

渖（68–41）：由「审[審]」類推簡化而來，但《簡化字總表》已將「瀋」簡化歸併為「沈」。舊版《新華字典》收有此字，釋為「汁」；新版取消，併入「沈」。
镟（79–64）：由「钅[釒]」類推簡化而來，但《簡化字總表》已將「鏇」簡化歸併為「旋」。

收了兩個繁體字：

鍾（79–81）：原版收入使用繁體偏旁之「鍾」字，但《簡化字總表》已將「鍾」和「鐘」簡化歸併為「钟」；後續的字模附錄將之修正為「锺」（下詳）。
後（65–65）：該繁體字已經在《簡化字總表》簡化歸併成「后」（26–83）字，而且沒有說明在語義不清時用「後」來表示，可是GB/T 2312卻多收此字。

（來源：Wikipedia）

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4.Unicode

Unicode是一個符號集，並沒有規定如何存儲，因此，Unicode出現了多種存儲的演化，這在之後會提到。Unicode存儲了幾乎所有字元編碼集的可表示符號，比如說你在手機上經常見到的「葵花寶典」（楔形文字），大部分手機看不了的「諾基亞專用字元」都被收錄在內，不過由於後期分化出的各種存儲方法下的Unicode導致部分手機沒辦法看這些文字。（注：諾基亞特殊符號由於Unix存儲問題，導致大部分系統無法編譯。如果你想試試，你可以看以下字元是方塊還是符號：）

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5.UTF-8

UTF-8是Unicode的一種實現方法，當然，也有UTF-16,UTF-32,不過網際網路上基本不用。

UTF-8的編碼規則很簡單，只有二條：

對於單位元組的符號，位元組的第一位設為0，後面7位元為這個符號的Unicode碼。因此對於英語字母，UTF-8編碼和ASCII碼是相同的。
對於n位元組的符號（n>1），第一個位元組的前n位元都設為1，第n+1位設為0，後面位元組的前兩位元一律設為10。剩下的沒有提及的二進位位元，全部為這個符號的Unicode碼。

下表總結了編碼規則，字母x表示可用編碼的位元。

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下面，以漢字「严」為例，演示如何實現UTF-8編碼。
（注意，由於簡繁體的Unicode並不相同，因此為了保證文章內容嚴謹，仍按照原文使用簡體的「嚴」。）

已知「严」的unicode是4E25（100111000100101），根據上表，可以發現4E25處在第三行的範圍內（0000 0800-0000 FFFF），因此「严」的UTF-8編碼需要三個位元組，即格式是「1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx」。然後，從「严」的最後一個二進位位元開始，依次從後向前填入格式中的x，多出的位補0。這樣就得到了，「严」的UTF-8編碼是「11100100 10111000 10100101」，轉換成十六進位就是E4B8A5。

~~我花了整整8個小時搞明白的，還不趕緊點右上角的三個點然後點再看？（滑稽）~~劃掉，官方帳號原文已刪除，想讚作者的可以去知乎找

咳咳，繼續。

通過ASCII對照表，可以把Hello World轉為2進位「01001000 01100101 01101100 01101100 01101111 00100000 01010111 01101111 01110010 01101100 01100100」，之後根據AGCT轉換為GACA GCGG GCTA GCTA GCTT ACAA GGGT GCTT GTAC GCTA GCGA，然後還需要用C-G，A-T得到雙鏈：

GACA-CTGT GCGG-CGCC GCTA-CGAT GCTA-CGAT GCTT-CGAA ACAA-TGTT GGGT-CCCA GCTT-CGAA GTAC-CATG GCTA-CGAT GCGA-CGCT

有了它，你就可以去製作這串DNA。

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目前主流的基因工程方式是鐳射酶切割，不同于你在高中用洗潔精加食鹽提取出DNA再用EcoRⅠ水浴加熱後切割再粘連DNA片段，鐳射酶切是在體外培育一個DNA，通過向活體的細胞注射後進行培育達到繁殖的功能。

通俗來說，就是將基因庫中提取好的DNA片段切割出多個小片段，再根據需要的DNA片段重組。在一年級生物就已經知道的克隆羊，其實就是用這個方法實現的。只不過是從活體提取的DNA片段，之後再打入胚胎細胞中。

我們要做的是體外移植，所以我們可以使用先提取DNA，再通過鐳射酶切割方式重組DNA，將DNA注入人體DNA內。

在2009年3月的第三軍醫大學學報中有一篇論文《鐳射捕獲顯微切割_單細胞PCR技術的應用研究》，裡面提到了提取DNA的方法：

收集管取下後 12 000 r/min高速離心 20 ～ 30 s, 使管蓋內含單細胞的液體沉積管底。加入 5 mg/ml蛋白酶 K消化液 1 μl, 終濃度約為 333 mg/L。55 ℃ 水浴 2 ～ 3 h, 之後 95 ℃10 min滅活蛋白酶 K, 離心後總體積 15 μl的範本原液
（為保證精度，可以加入RNA酶去除RNA ——編輯注）

而在《中國細胞生物學學報》2014.1的《DNA剪刀—TALEN和CRISPR/Cas》中，對DNA鐳射酶切割做出了說明：

目前, 已發現了三種類型的CRISPR-Cas系統。每種CRISPR-Cas系統均包含具有核酸酶活性的CRISPR相關(Cas)基因和決定切割位點特異性的非編碼RNA[18-21] 。II型CRISPR/Cas系統在發揮功能時僅需要一種蛋白, 即Cas9核酸酶參與; 而I、III型 CRISPR/Cas系統則需要多種蛋白形成複合物才能行使功能[20] 。因此, Ⅱ型CRISPR/Cas系統比其他兩種CRISPR系統更為簡便, 因此最適合在基因組編輯中應用。

和

從TALEN或Cas9的質粒構建上來看, CRISPR/ Cas系統也相對簡單。TALEN技術中需要將多個重複單元通過分子克隆或是以固相為基礎的TALE重複組裝方法串聯起來[12,14-15,29-31] ; 而CRISPR/Cas系統中只需改變sgRNA或crRNA中20或30個堿基的嚮導序列即可, 一步簡單的分子克隆實驗就可完成[23-24] 。

我已經看懵了🌚

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果然還是不能用國中知識去理解一幫院士寫的東西hhhhhh。不過通過各種方法，我還是大概理解了一下。大概意思是說可以通過位元點植入的方式向DNA中插入靶向位點，使DNA在不改變表達的情況下可以通過核醫學進行靶向定位，之後通過Cas9核酸酶進行切割，通過加入新基因後進行培養，使DNA連結，並且通過RNA進行克隆，修飾。我也就懂這麼多了，其他的還是請各位去知網花7塊錢自己看罷。