DNA存儲，已經(jīng)顯示出在存儲密度、壽命和能耗方面，超越當(dāng)前基于硅的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的潛力。

然而，通過從頭合成將大規(guī)模數(shù)據(jù)，直接寫入DNA序列，在時(shí)間和成本上，仍然不夠經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

在此，來自美國亞利桑那州立大學(xué)的嚴(yán)浩、北京大學(xué)的張成、歐陽頎以及錢瓏等研究者提出了一種替代的并行策略，可以使用預(yù)制核酸在DNA上寫入任意數(shù)據(jù)。相關(guān)論文以題為“Parallel molecular data storage by printing epigenetic bits on DNA”于2024年10月23日發(fā)表在Nature上。

全球數(shù)據(jù)領(lǐng)域的快速擴(kuò)展對大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲提出了迫切挑戰(zhàn)，并急需更好的存儲材料。受自然界中基因信息保存方式的啟發(fā)，DNA因其卓越的存儲密度和耐久性，近年來被認(rèn)為是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲的有前途的生物材料。

在當(dāng)前的DNA存儲中，數(shù)據(jù)通常被轉(zhuǎn)碼為核苷酸堿基序列，寫入過程依賴于全新合成，即核苷酸按照預(yù)定順序逐一添加。盡管全新合成技術(shù)在吞吐量和效率方面不斷進(jìn)步，但串行合成過程本質(zhì)上限制了寫入速度和合成DNA的長度，并阻礙了數(shù)據(jù)寫入成本的大幅降低。

為了實(shí)現(xiàn)高效的DNA存儲，必須尋找不依賴全新合成的替代數(shù)據(jù)寫入方法，這些方法應(yīng)能夠并行且可編程地工作。實(shí)際上，已經(jīng)提出了一些優(yōu)雅的并行寫入設(shè)計(jì)，例如通過結(jié)構(gòu)編程的DNA載體實(shí)現(xiàn)并行寫入，但結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和信息處理吞吐量有限等問題阻礙了這些方法的應(yīng)用。

相比之下，在人體細(xì)胞中，表觀基因組在不變的基因組序列之上編碼了穩(wěn)定的修飾信息。同樣，一個(gè)表觀編碼數(shù)據(jù)的系統(tǒng)可能足以在相同的DNA序列上實(shí)現(xiàn)長期信息存儲。

然而，當(dāng)前體外的表觀遺傳信息并行寫入在數(shù)據(jù)選擇性上不夠靈活。因此，為了實(shí)現(xiàn)無合成的DNA數(shù)據(jù)存儲，一個(gè)能夠在通用DNA上編程任意表觀遺傳信息的框架是理想的選擇。

另一方面，DNA自組裝已經(jīng)被廣泛研究，并能夠在納米尺度上實(shí)現(xiàn)精確的分子編程。DNA序列編程使得在大規(guī)模上對超分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行并行且精確的控制成為可能。

之前的研究展示了使用數(shù)千種DNA鏈條在一次反應(yīng)中編程多微米交叉DNA結(jié)構(gòu)和線框DNA多面體的能力。

在此，受到自然表觀基因遺傳繼承和合成DNA自組裝的啟發(fā)，研究者開發(fā)了一種非傳統(tǒng)的DNA數(shù)據(jù)寫入框架，該框架基于DNA自組裝指導(dǎo)的酶促甲基化，能夠并行穩(wěn)定地將任意表觀遺傳信息位（epi-bits）寫入DNA模板。

通過自組裝引導(dǎo)的酶甲基化，表觀遺傳修飾作為信息位，可以精確地引入到通用DNA模板上，以實(shí)現(xiàn)分子可移動型印刷。通過對有限的700個(gè)DNA可移動類型和5個(gè)模板進(jìn)行編程，研究者在一個(gè)自動化平臺上實(shí)現(xiàn)了大約275,000位的無合成寫入，每個(gè)反應(yīng)寫入350位。

以復(fù)雜表觀遺傳模式編碼的數(shù)據(jù)，通過納米孔測序高通量檢索，并開發(fā)了算法，每個(gè)測序反應(yīng)可精細(xì)解析240個(gè)修飾模式。在表觀遺傳信息位框架下，60名缺乏專業(yè)生物實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)的志愿者實(shí)現(xiàn)了分布式和定制的DNA存儲。

研究者的框架提出了一種新的DNA數(shù)據(jù)存儲模式，它是并行的、可編程的、穩(wěn)定的和可擴(kuò)展的。這種非常規(guī)的模式為生物分子系統(tǒng)中的實(shí)際數(shù)據(jù)存儲和雙模式數(shù)據(jù)功能開辟了道路。

圖1 epi-bit DNA存儲示意圖。

圖2 選擇性epi-bti寫入的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

圖3 可編程DNA排版和并行epi-bit書寫。

圖4 通過一鍋測序擴(kuò)大外位數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)檢索。

圖5 利用epi-bits條形碼實(shí)現(xiàn)高并行度的大規(guī)模存儲。

圖6 定制和分布式epi-bit DNA存儲。

綜上所述，隨著DNA數(shù)據(jù)存儲進(jìn)入商業(yè)化的曙光，epi-bit框架展示了具有預(yù)制模塊化的并行分子信息存儲的潛在方向。展開了廣泛的研究路線。例如，優(yōu)化序列設(shè)計(jì)和甲基轉(zhuǎn)移酶效率將實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健和精確的數(shù)據(jù)寫入。

存儲密度可以進(jìn)一步增加，通過納入各種DNA修飾與準(zhǔn)確的檢測方法相匹配。最后，結(jié)合DNA自組裝輔助編程和無數(shù)的酶修飾，可以為實(shí)用和功能化的分子數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多樣化的DNA存儲和計(jì)算功能。

PS：對此，Nature期刊針對這項(xiàng)研究，特邀請 Carina Imburgia & Jeff Nivala兩位研究者，以“‘Do-it-yourself’ data storage on DNA paves way to simple archiving system”為題，發(fā)表了評論文章。由此可見，這篇文章的重要地位。