2024年10月23日，北京大學計算機學院張成與定量生物學中心錢瓏聯(lián)合研究團隊與合作者，在國際學術(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，研究中還功實現(xiàn)了個人訂制DNA存儲示例，證明了便捷的分布式DNA存儲應用潛力。該方法的建立，不僅為實現(xiàn)了快速、低成本的大規(guī)模分子數(shù)據(jù)存儲奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，還為未來DNA存儲的發(fā)展提供了全新思路。

論文截圖

大數(shù)據(jù)時代，全球數(shù)據(jù)洪流對數(shù)據(jù)存儲技術(shù)提出了嚴峻挑戰(zhàn)。DNA分子具有超高的數(shù)據(jù)存儲密度和超長壽命，已成為備受矚目的顛覆性存儲介質(zhì)。然而，傳統(tǒng)DNA存儲依賴“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)合團隊開發(fā)的“表觀比特（epi-bit）”DNA存儲利用預制的DNA模板和分子活字塊，通過DNA自組裝介導的分子信息排版，經(jīng)選擇性酶促甲基修飾轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了分子級“活字印刷”信息打印。

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

團隊在實驗中，將中國漢代“白虎”瓦當和國寶大熊貓“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序儀，實現(xiàn)了對DNA模板上復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)。實驗結(jié)果驗證了該創(chuàng)新型分子存儲技術(shù)的可行性和準確性，還展示了表觀比特的穩(wěn)定性。

值得關(guān)注的是，團隊還展示了這項技術(shù)的分布式存儲應用潛力。在個人定制DNA存儲實驗中，邀請了北京大學、華北電力大學等單位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并由個人保存，相關(guān)數(shù)據(jù)直到使用時才被讀取，可有效保障個人數(shù)據(jù)的隱私與安全。這種分布式DNA存儲方式，不僅能極大降低DNA存儲的使用門檻，且保障了數(shù)據(jù)隱私，有望推動DNA存儲的個人應用。

圖2. 表觀比特DNA存儲原理流程和實驗結(jié)果

表觀比特DNA存儲框架為大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲提供了全新的解決方案，有望突破DNA存儲的成本和速度壁壘。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)存儲中的獨特優(yōu)勢，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、北京大學教授歐陽頎和美國亞利桑那州立大學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。北京大學計算機學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劉娜團隊、成都瀚辰光翼科技有限責任公司、大連理工大學張強團隊、華北電力大學楊靜團隊的大力支持。本研究的iDNAdrive實驗獲得了北京大學2024年iGEM團隊的大力支持。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、軍委裝備研究項目、北京大學-鯤鵬昇騰科教創(chuàng)新卓越中心項目的資助。

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

來源：北京大學新聞網(wǎng)