我科學(xué)家在DNA信息存儲領(lǐng)域獲突破
“1公斤DNA便可以裝下全世界數(shù)據(jù)。”日前，北京大學(xué)張成、錢瓏聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)與合作者提出了一種全新的并行“印刷”DNA存儲策略，成功將信息打印在DNA分子之上，猶如在白紙上批量印刷信息。相比于目前基于序列合成的主流“逐字寫入”DNA存儲，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了快速、低成本的大規(guī)模分子數(shù)據(jù)存儲，為未來實(shí)用型DNA存儲發(fā)展提供了破局新路。相關(guān)成果23日深夜以《基于表觀分子比特打印的并行DNA分子數(shù)據(jù)存儲》為題發(fā)表于《自然》。
從甲骨到竹簡，從紙張到光盤，從閃存到云存儲……時(shí)代向前發(fā)展，關(guān)于信息與數(shù)據(jù)的存儲方式也在發(fā)生著深刻變化。如今，全球每天都在產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，但它們儲存在哪兒，始終是一個(gè)現(xiàn)實(shí)難題。經(jīng)過多年探索，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，DNA存儲技術(shù)或許是一個(gè)正確選項(xiàng)。
記者了解到，主流DNA存儲多以化學(xué)合成的方式逐個(gè)加入代表信息的堿基，過程煩瑣耗時(shí)，在成本和速度上面臨巨大挑戰(zhàn)。“不同于傳統(tǒng)技術(shù)路線，這項(xiàng)技術(shù)的核心突破在于，我們開發(fā)的‘表觀分子比特’DNA存儲技術(shù)，利用預(yù)制的DNA‘白紙’和‘活字塊’，通過DNA自組裝介導(dǎo)的分子信息‘排版’，再由酶催化‘轉(zhuǎn)印’，實(shí)現(xiàn)了分子級‘活字印刷’。”論文通訊作者張成介紹，與傳統(tǒng)DNA數(shù)據(jù)存儲方法相比，這種活字印刷并行寫入方式只需通過排版有限的“活字塊”，就可以實(shí)現(xiàn)任意信息寫入，不僅避免了復(fù)雜煩瑣DNA序列編碼過程，而且大幅降低了分子信息寫入復(fù)雜度，能夠降低成本，提高操控靈活性。
張成告訴記者，由于首次引入并行的分子排版和轉(zhuǎn)印機(jī)制，團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中成功將中國漢代虎紋瓦當(dāng)和國寶大熊貓飛云的高清圖片信息，通過“表觀分子比特”并行寫入DNA分子中，數(shù)據(jù)量超過27.5萬比特，存儲規(guī)模較以往同類工作提升超過300倍。“同時(shí)，信息讀取可使用便攜式納米孔測序儀，實(shí)現(xiàn)了對DNA模板上復(fù)雜修飾比特信息的高通量讀取，并通過并行解析無損還原了原始數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這項(xiàng)創(chuàng)新型分子存儲技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性，還展示了‘表觀分子比特’DNA存儲的穩(wěn)定性。”
最值得關(guān)注的是，團(tuán)隊(duì)還展示了這項(xiàng)技術(shù)的分布式存儲應(yīng)用潛力。論文通訊作者錢瓏透露，在個(gè)人定制DNA存儲實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)邀請了60名背景廣泛的青年志愿者，由他們在日常環(huán)境下，將私人數(shù)據(jù)親手寫入DNA并由個(gè)人保存，相關(guān)數(shù)據(jù)直到他們想使用時(shí)才被讀取，可有效保障個(gè)人數(shù)據(jù)的隱私與安全。“可以說，這種便捷的分布式DNA存儲方式，不僅能極大降低DNA存儲的使用門檻，而且具有高隱私性，有望實(shí)現(xiàn)DNA存儲的個(gè)人應(yīng)用。”
“在DNA這張白紙上批量打印信息，代表著DNA存儲技術(shù)的重要突破與革新，為大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲提供了全新解決方案，有望突破DNA存儲的成本和速度壁壘，并為未來其他相關(guān)分子信息系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)奠定基礎(chǔ)。”錢瓏表示，“可預(yù)見的是，在未來，無論身處何時(shí)何地，我們都將無須依賴大型實(shí)驗(yàn)儀器，就能實(shí)現(xiàn)簡單、準(zhǔn)確、高效的DNA數(shù)據(jù)存儲。”
《光明日報(bào)》(2024年10月25日08版)
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