化学合成方法|将四字校训变成DNA序列进行存储读取

当摩尔定律逐渐接近极限时，寻找新的存储介质就显得迫在眉睫。 12月5日，采访人员从东南大学获悉，该校师生将“止于至善”的校训翻译成英文后进行四进制编码，并以DNA（脱氧核糖核酸）分子形式存储在电极表面，再最终读取出来，这引发了未来对高通量自动化DNA存储的无限想象。相关成果近日发表于国际学术期刊《科学·进展》上。
由于生物技术的进步，特别是高通量DNA测序和合成技术的进步，以前只出现在科幻小说中的DNA数据存储技术正在兴起。 DNA是大多数生物的最核心遗传物质，它记录着一个生命所有的遗传密码。在这串密码中，有4种关键的碱基，即脱氧核苷酸A（腺嘌呤脱氧核苷酸)、T（胸腺嘧啶脱氧核苷酸)、C（胞嘧啶脱氧核苷酸)、G（鸟嘌呤脱氧核苷酸) 。
“DNA本来就是活体生物用来存储生物基因数据的，以DNA分子为基础的数据存储系统，近年来被认为是解决未来‘数据危机’的一个可行方案。 ”论文通讯作者、东南大学生物科学与医学工程学院教授刘宏告诉科技日报采访人员。
“目前的信息都存储在芯片等磁性材料上，缺点是存储密度不高，很难突破纳米级别。而DNA的分子尺度在纳米级以下，如果能实现存储，那么存储密度将比现在大1000倍，存储时间长、耗能小。 ”刘宏介绍，现有DNA存储系统大多基于“编码—合成—储存—测序—解码”的操作流程，需要大型仪器和专业技术人员的参与。
为了实现DNA存储的微型化、集成化和自动化，刘宏带领团队研发了一种新的技术路径。 “通俗地说， DNA的4种碱基A、T、C、G ，就相当于二进制的0和1 ，通过它们的不同组合，就可以编码不同的信息。 ”刘宏解释，在论文提及的实验中，他们将东南大学“止于至善”的校训翻译成英文“Rest in the highest excellence” ，而每个字母都可以进行二进制编码，研究团队把二进制数据转化为四进制数据，存储在电极上合成的一个个DNA分子中。读取信息时，团队通过算法再将四进制数据转化为二进制数据，最终获取结果。
如何让A、T、C、G按照给定的信息排列组合，从而实现信息的传递？刘宏说，他们通过电化学脱保护技术改进了传统亚磷酰胺化学合成方法，将A、T、C、G放在一种特殊的溶液中，通过其与溶液的化学反应，让它们按照特定规则串联起来，再基于电荷振荡现象对电极表面的DNA分子进行测序，以读取存储在DNA中的信息。
“这项技术的核心是将信息的读、写集成在一起。由于分子信号很微弱，所以如何在电极上稳定地读取微弱信号，就比较有挑战。 ”刘宏说。
【化学合成方法|将四字校训变成DNA序列进行存储读取】目前，这项技术还处于实验室阶段。刘宏坦言， DNA存储想进入商用，还亟须改进溶液的化学合成方法。
“A、T、C、G产生化学反应要在溶液里完成，这样的条件下进行的化学反应，速度就比较慢，这导致信息转化效率低，即存储时间比较长，如果要商用，还需要解决信息转化效率的问题。 ”刘宏认为，但这并不影响DNA存储的未来前景， “DNA存储将有望成为下一代信息存储技术。 ”采访人员金凤通讯员唐瑭