龜甲、宣紙、磁帶、硬盤……

數(shù)據(jù)怎么存、存在哪

始終是人們孜孜以求的問題

時代變遷，社會發(fā)展

我們的生活每天都在產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)

傳統(tǒng)硅基材料

難以滿足日益增長的數(shù)據(jù)存儲需求

北京大學(xué)張成、錢瓏團隊

與合作者另辟蹊徑

以表觀修飾作為存儲介質(zhì)

通過分子信息并行寫入實現(xiàn)信息存儲

為這道難題提出新的解法

10月23日

團隊研究成果已發(fā)表于Nature

△研究成果已正式發(fā)表于Nature

1公斤便可“裝下”全世界

　　2024年10月23日，北京大學(xué)計算機學(xué)院張成與定量生物學(xué)中心錢瓏聯(lián)合研究團隊與合作者，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存儲策略，成功將信息打印在DNA分子之上，猶如“活字印刷”，在白紙上批量印刷信息。團隊在實驗中，成功將中國漢代“白虎”瓦當(dāng)和大熊貓的高清圖片(數(shù)據(jù)量超過27.5萬比特)寫入DNA分子中，并無損還原了原始數(shù)據(jù)，解析出高清圖片。

　　DNA具有超高存儲密度，僅1克DNA就足以存儲1000萬小時高清視頻數(shù)據(jù);1公斤DNA，便可以裝下全世界數(shù)據(jù)。此外，如果避免潮濕和紫外線照射，DNA可以保存數(shù)十萬年之久，擁有超長壽命。相比之下，硬盤往往需要每隔幾年更換一次以防止數(shù)據(jù)損壞。因此，DNA顯示出作為顛覆性存儲介質(zhì)的巨大潛力。

　　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著“速度慢”“易出錯”“價格貴”的多重巨大挑戰(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存儲技術(shù)，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，實現(xiàn)了“活字印刷”，達到分子級“信息打印”的目的。

　　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(DNA分子的一種表觀遺傳修飾)的組合原理，無需合成，就像在紙上印刷文字。首先，研究團隊設(shè)計并預(yù)制通用的單鏈DNA載體和互補短單鏈DNA“文字庫”。然后，通過將“文字庫”裝到DNA載體的相同加載序列上，任意表觀比特信息就得以被排版。接下來，堿基修飾(5-甲基胞嘧啶)通過酶的選擇性甲基化以并行的方式穩(wěn)定地“打印”在DNA載體上，一場精密、高效的“分子印刷術(shù)”就大功告成了。

　　這種被稱為“表觀比特”類似于傳統(tǒng)的比特，以兩個二進制數(shù)值中的一個(0或1)來存儲信息，對應(yīng)堿基是否甲基化。研究團隊通過使用有限的700種DNA活字和5個模板進行編程，在自動平臺上實現(xiàn)了約27.5萬個比特的免合成寫入，每個反應(yīng)的寫入輸出為350比特，遠超過去依賴DNA從頭合成的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)每個反應(yīng)約僅1比特的輸出量，實現(xiàn)了重大突破。

　　同時，這一研究還成功實現(xiàn)了個人定制DNA存儲示例，證明了便捷的分布式DNA存儲應(yīng)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。

基于表觀比特條碼的高位并行大規(guī)模存儲示意

　　“這項技術(shù)的核心突破在于，我們能夠通過預(yù)制的DNA模板和活字塊，在分子底層以排版的方式打印epi-bit信息，實現(xiàn)分子數(shù)據(jù)的精確并行寫入，進而完成大規(guī)模并行DNA存儲?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、北京大學(xué)研究員張成介紹說，“與傳統(tǒng)DNA數(shù)據(jù)存儲方法相比，這種活字印刷并行寫入方式僅需有限數(shù)量的預(yù)制DNA分子，從而避免了復(fù)雜繁瑣DNA序列編碼過程，不僅大幅降低分子信息寫入復(fù)雜度，還能降低成本，提高操控靈活性?！?/p>

把照片“存在”DNA里

　　團隊在實驗中，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存儲技術(shù)，數(shù)據(jù)規(guī)模提升超過300倍。這些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(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)，解析出高清圖片，真正有望實現(xiàn)“經(jīng)典永流傳”。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(yīng)用潛力。在個人定制DNA存儲實驗中，邀請了北京大學(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。這些數(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(yīng)用。

表觀比特DNA存儲原理流程和實驗結(jié)果

　　從二進制數(shù)據(jù)到DNA數(shù)據(jù)，從從頭合成到并行寫入，從DNA存儲池到細胞存儲，從二代測序到納米孔測序……在多維技術(shù)的突破性革命與融會貫通下，誕生了如今的表觀比特DNA存儲框架，這一框架為大規(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。此項技術(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)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

　　“在DNA這張白紙上批量打印信息，代表著DNA存儲技術(shù)的重要突破與革新?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、北京大學(xué)研究員錢瓏表示，“可預(yù)見的是，在未來，無論身處何時何地，我們都將無需依賴大型實驗儀器，就能實現(xiàn)簡單、準確、高效的DNA數(shù)據(jù)存儲。”