2024年10月23日，北京大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院張成與定量生物學(xué)中心錢瓏聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)與合作者，在國際學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表題為“Parallel molecular data storage by printing epigenetic bits on DNA” 的研究論文，首次提出了一種基于并行寫入策略的DNA存儲(chǔ)方法。該技術(shù)不依賴于主流的“從頭合成”寫入路線原理，通過DNA自組裝與選擇性酶促甲基化的組合原理，可將“表觀比特”（epi-bit，5-甲基胞嘧啶）編碼的數(shù)字信息并行打印在DNA分子上。同時(shí)，研究中還功實(shí)現(xiàn)了個(gè)人訂制DNA存儲(chǔ)示例，證明了便捷的分布式DNA存儲(chǔ)應(yīng)用潛力。該方法的建立，不僅為實(shí)現(xiàn)了快速、低成本的大規(guī)模分子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，還為未來DNA存儲(chǔ)的發(fā)展提供了全新思路。

論文截圖

大數(shù)據(jù)時(shí)代，全球數(shù)據(jù)洪流對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。DNA分子具有超高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度和超長壽命，已成為備受矚目的顛覆性存儲(chǔ)介質(zhì)。然而，傳統(tǒng)DNA存儲(chǔ)依賴“從頭合成”的信息寫入路線，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，張成、錢瓏聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開發(fā)的“表觀比特（epi-bit）”DNA存儲(chǔ)利用預(yù)制的DNA模板和分子活字塊，通過DNA自組裝介導(dǎo)的分子信息排版，經(jīng)選擇性酶促甲基修飾轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了分子級(jí)“活字印刷”信息打印。

圖1. 表觀比特DNA存儲(chǔ)信息表示方法和Nature相關(guān)專題報(bào)道

團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中，將中國漢代“白虎”瓦當(dāng)和國寶大熊貓“飛云”的高清圖片成功寫入DNA分子中，數(shù)據(jù)量超過27.5萬比特，相比此前發(fā)表的其他非傳統(tǒng)DNA存儲(chǔ)技術(shù)，數(shù)據(jù)規(guī)模提升超過300倍。信息讀取使用便攜式納米孔測(cè)序儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DNA模板上復(fù)雜表觀比特信息的高通量讀取，并通過單次超240種不同修飾模式的并行解析，無損還原了原始數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該創(chuàng)新型分子存儲(chǔ)技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性，還展示了表觀比特的穩(wěn)定性。

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(chǔ)應(yīng)用潛力。在個(gè)人定制DNA存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，邀請(qǐng)了北京大學(xué)、華北電力大學(xué)等單位60名背景廣泛的青年志愿者，由他們?cè)谌粘－h(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。這種分布式DNA存儲(chǔ)方式，不僅能極大降低DNA存儲(chǔ)的使用門檻，且保障了數(shù)據(jù)隱私，有望推動(dòng)DNA存儲(chǔ)的個(gè)人應(yīng)用。

圖2. 表觀比特DNA存儲(chǔ)原理流程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表觀比特DNA存儲(chǔ)框架為大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了全新的解決方案，有望突破DNA存儲(chǔ)的成本和速度壁壘。該技術(shù)的開發(fā)，還展現(xiàn)了非傳統(tǒng)分子比特在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為未來新型分子信息處理系統(tǒng)的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。張成、錢瓏、北京大學(xué)教授歐陽頎和美國亞利桑那州立大學(xué)教授顏顥為本文的共同通訊作者。吳燃峰、孫法家和林藝生為本文共一作者。北京大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院和定量生物中心為本文第一通訊單位。本研究獲得了德國斯圖加特大學(xué)劉娜團(tuán)隊(duì)、成都瀚辰光翼科技有限責(zé)任公司、大連理工大學(xué)張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)、華北電力大學(xué)楊靜團(tuán)隊(duì)的大力支持。本研究的iDNAdrive實(shí)驗(yàn)獲得了北京大學(xué)2024年iGEM團(tuán)隊(duì)的大力支持。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、軍委裝備研究項(xiàng)目、北京大學(xué)-鯤鵬昇騰科教創(chuàng)新卓越中心項(xiàng)目的資助。

Nature雜志同期news & views欄目專題報(bào)道（https://www.nature.com/articles/d41586-024-03312-6 ）。

來源：北京大學(xué)新聞網(wǎng)