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DNA存儲又一重大突破!天津大學合成生物學團隊將十幅敦煌壁畫存儲于DNA

發布時間:2022/9/20 9:21:34編輯:Ma Liang
已有1631人關注

       信息技術出現并不斷發展以后,數據真正成為了一種新型生產資料,不過,它的爆炸式增長也讓存儲成為新的挑戰,基于硅材料的計算機存儲方式逐漸變得難以應對。在此背景下,積極探索 DNA 存儲以作為下一代的數據存儲方式意義重大。

       DNA 是一種非常穩定的分子,半衰期超過 500 年,低溫條件下可保存成千上萬年。而目前的磁或光數據存儲系統保存數據一般不能超過一個世紀。除了穩定性,DNA 存儲數據的另一大優點是存儲密度。DNA 信息存儲密度的數量級是已知任何存儲技術的若干倍。2021 年 12 月,東南大學劉宏教授就曾將校訓“止于至善”-“Rest in the highest excellence”刻在 DNA 分子里。

       近日,天津大學合成生物學團隊又創新 DNA 存儲算法,將上述十幅敦煌壁畫存入 DNA 中,通過加速老化實驗驗證壁畫信息在實驗室常溫下可保存千年,在 9.4°C 下可保存兩萬年。相關成果以“Robust data storage in DNA by de Bruijn graph-based de novo strand assembly”為題在線發表于 Nature Communications。

▲圖丨DNA 存儲的敦煌壁畫(來源:天津大學)

       具體做法如下:首先,團隊通過 DNA 合成技術結合糾錯編碼將壁畫信息寫入到 DNA 中,實現了高密度(295 PB/g,1 PB = 1024 TB)的數據存儲。然而,DNA 作為一種鏈式生物大分子,在體外常溫保存時面臨 DNA 斷裂降解等風險,影響信息存儲的長期可靠性。

       為解決該問題,團隊設計了基于德布萊英圖理論的序列重建算法。該算法結合貪婪路徑搜索和循環冗余校驗碼來實現斷裂 DNA 片段的高效從頭組裝,從原理上支持了 DNA 存儲的長期可靠性。

▲圖丨基于德布萊英圖圖論設計的序列重建算法高效解決 DNA 斷裂、降解問題(來源:天津大學)

       結合該序列重建算法(內碼)與噴泉碼算法(外碼),團隊設計編碼了 6.8 MB 敦煌壁畫,合成了承載圖片信息的 DNA 片段 21 萬條。為數據的長期可靠性,團隊制備了一個沒有任何特殊保護的 DNA 水溶液樣本,并在 70°C 下加速樣本斷裂、降解長達十周。處理后的 DNA 片段 80% 以上都發生了斷裂錯誤,依靠設計的序列重建算法依然可以準確組裝并解碼 96.4% 以上的片段,再通過噴泉碼解決少量片段丟失的問題,原始的敦煌壁畫圖片依然能夠完美恢復。根據理論推算,這種程度的高溫破壞相當于實驗室常溫 25°C 一千年或者 9.4°C 長達兩萬年的自然保存。

該算法支持 DNA 分子成為世界上最可靠的數據存儲介質之一。這項技術為長期保存人類歷史文化遺產提供了一個潛在的數字化解決方案。

       這并不是天津大學合成生物學團隊第一次在 DNA 存儲上取得突破。2021 年 3 月,天津大學元英進教授帶領跨學科團隊,借助團隊在酵母人工基因組化學合成領域的積累,從頭編碼設計合成了一條長度為 254,886 BP、專用于數據存儲的酵母人工染色體,借助無線通信中前沿的糾錯編碼將兩張經典圖片和一段視頻存儲于高校組裝的人造染色體,利用酵母繁殖實現了數據穩定復制,用便攜式的三代納米孔測序器件實現了數據快速讀出與無錯恢復。

       當然,不僅在學術界,工業界 DNA 存儲也取得了很大進展。由中科院深圳先進技術研究院合成生物學研究所副所長戴俊彪創立的中科碳元于 2021 年 5 月成立,成立之初,就獲得了數千萬元人民幣天使輪融資。近日,法國初創公司 Biomemory 也開發了一種 DNA Drive 存儲技術,可利用合成生物學將 5PB 的數據存儲在“金屬膠囊”中,并可通過 DNA 測序儀讀取。

       大數據時代,全世界每時每刻都在產生海量的數據,數據存儲的需求也在不斷攀升。Nature Materials 曾在 2016 年預測,到 2025 年全球信息數據總量可達 163ZB,相當于 163x1024x1024x1024TB,需要 350 億個 5TB 硬盤才能裝下。不過,天津大學元英進院士也曾表示,DNA 存儲是人們希望看到的合成生物學和信息技術融合的典范。但是,目前 DNA 存儲仍然面臨合成成本高、讀寫速度慢,以及如何與現代存儲系統融合等挑戰。

微信號:ayiwangapp17

(來源: 麻省理工科技評論 )

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