“DNA活字印刷术”来了

糖兽 2025-01-03 08:01 北京

用1公斤DNA装下全世界的数据？

从甲骨到竹简，从纸张到磁带，从闪存到云存储……如何存储数据始终是人类孜孜以求的问题。

随着时代的发展，人类存储信息和数据的方式也发生着翻天覆地的变化。尤其是在数字化时代，全球每天都在产生海量数据，这样的爆炸式增长对存储技术提出了前所未有的挑战，传统硅基材料已难以满足日益增长的数据存储需求，寻找新的存储解决方案势在必行。于是，基于DNA的存储为科学家们提供了新的思路。

自上世纪80年代以来，DNA就被视为是数字存储的理想介质，因为它具有非凡的存储密度和耐久性。与传统的硅基存储相比，同体积的DNA可存储多达10亿倍的信息，而且如果条件适当，在DNA中编码的序列可以保存几个世纪。

然而，目前的DNA存储通常涉及到从零开始合成新的DNA链，然后一次编码一个核苷酸数据，这些核苷酸会以预先确定的顺序被一个接一个地添加。这样的合成过程缓慢且昂贵，从根本上限制了写入速度和合成DNA的长度。

在一项发表在《自然》的研究中，一个由中国科学家领导的研究团队受到表观遗传学的启发，创造出了一种能显著提高DNA的容量和效率的存储方法。这种被称为“表观比特”（epi-bits）的方法的运作方式类似于活字印刷，可以在一个通用的DNA模板上进行排列。

表观遗传学的启示

在表观遗传学中，表观遗传修饰可以在不改变基本DNA序列的情况下，通过在DNA中添加或删除化学基团来调节基因表达。这种调节可以影响蛋白质的产生，并驱动一些基本的细胞功能。

在新的研究中，研究人员将这种自然的机制用在了编码数字信息上。他们发展出的新的DNA存储法，不再需要从零开始构建DNA，而是对已有的DNA链加以利用。具体来说，它是通过在特定的DNA碱基上添加或删除被称为甲基（CH₃）的化学标记来编码信息的，这就减少了对合成的依赖。

甲基化是一种自然的生化过程，在这个过程中，酶会在胞嘧啶和鸟嘌呤碱基相邻的位点上，向含有胞嘧啶的核苷酸添加一个甲基。在生物系统中，甲基化在表观遗传学中起着关键作用。

在实验中，研究人员通过在特定的DNA碱基上增减甲基的方式，成功创造出了表观比特。这是一些功能类似二进制开关的微小分子数据点，甲基化碱基（epi-bit 1）和未甲基化碱基（epi-bit 0）就相当于计算机中使用的二进制代码0和1。

为了利用甲基化来进行数据存储，研究人员使用了一种被称为并行分子打印的方法。这种方法需要用到一条作为模板的通用DNA链，以及700个作为构建块的不同DNA片段。每个构建块都包含一个独特的表示数字信息的表观比特模式，只可以绑定到模板上的一个特定位置。每块构建块与模板的精确结合，都可以引导酶对模板中的特定位置进行甲基化，进而有效地将数据“打印”到模板上。

通过将这些构建块排列在DNA链上，研究人员编码了大约27万比特的数据，每次可以写入350比特。通过一些先进的测序技术，存储的数据可以被快速而准确地读取。

优势与挑战

现在，这种新方法回避了合成新DNA的漫长而昂贵的过程，让DNA存储变得更为快捷、经济。它有可能在极小的空间内长时间存储大量数据。研究人员将这种存储复杂数据（如图像）的方法描述为具有高保真度和最小错误率的方法。与传统的电子存储相比，表观比特可以提供更加可持续的、更节约资源的选择。与现有的DNA数据存储方法相比，这种新的技术更快捷、更经济。

尽管这是一种很有前景的方法，但挑战依然存在。甲基化碱基编码的复杂性和对化学修饰的精确控制需求，都需要复杂的技术和方法。实现高保真的写入和读取是至关重要的，因为甲基化过程中的错误或偏差都有可能导致数据丢失或损坏。

不过，这种存储介质具有巨大的潜在优势，比如它的紧凑尺寸、环境抗性和耐久性。随着进一步的发展，这项技术可以为高效的数据存储解决方案铺平道路，并有助于减轻大规模数据存储对环境日益增长的影响。

本文内容经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）

#创作团队：

撰文：糖兽

排版：雯雯

#参考来源：

https://news.asu.edu/20241023-science-and-technology-harnessing-natures-code-d

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08040-5

https://www.nature.com/articles/d41586-024-03443-w

#图片来源：

封面图&首图：Jason Drees via ASU News