北大最新Nature：利用表观遗传，将大熊猫照片存进DNA，实现更高效的DNA数据存储

生物世界

2024-10-24 08:46发布于上海科学领域创作达人

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划重点

01北京大学研究团队在国际顶尖学术期刊 Nature 上发表了一篇关于DNA数据存储的新方法论文。

02该研究开发了一种受表观遗传学启发的DNA数据存储新方法——表观比特，可提高将数据写入DNA的速度和成本效益。

03通过自组装引导的酶促甲基化，研究团队实现了并行和选择性地将表观比特写入到DNA模板上。

04研究团队成功地将一张中国汉代拓片图像和一张熊猫照片存储进了DNA，并可被准确地印刷和检索出来。

05尽管如此，DNA存储在商业化之前还有很长的路要走，需要大幅降低成本，才能与当前的硅基材料存储相竞争。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

从智能手机和社交媒体到电子商务和科学研究，一切都在推动数据的空前激增。如今，每年产生的数据高达10²¹比特。随着数据的激增，我们对数据存储需求也不断增长，传统硅基材料存储难以满足日益增长的数据存储需求，这推动了人们寻求新的存储解决方案，例如基于DNA的存储。

DNA具有超高存储密度，仅1克DNA就足以存储1000万小时高清视频数据。此外，如果避免潮湿和紫外线照射，DNA可以保存数十万年之久。相比之下，硬盘往往需要每隔几年更换一次以数据损坏。因此，DNA显示出作为存储介质的巨大潜力。

然而，传统DNA数据存储方法依赖于从头合成DNA序列，这导致其局限性也十分突出——DNA合成速度慢、错误率高、合成费用昂贵。

2024年10月23日，亚利桑那州立大学颜颢、北京大学定量生物学中心钱珑、欧阳颀及北京大学计算机学院张成等人在国际顶尖学术期刊 Nature 上发表了题为：Parallel molecular data storage by printing epigenetic bits on DNA 的研究论文，北京大学计算机学院为该论文第一单位。

该研究描述了一种受表观遗传学启发的DNA数据存储新方法——表观比特（epigenetic bits），或可提高将数据写入DNA的速度和成本效益。

在该技术的演示中，研究团队将一张中国汉代拓片图像（16833比特）和一张熊猫照片（252504比特）存储进了DNA，其可被准确地印刷和检索出来。该技术有望为可持续、高密度数据存储技术不断增长的需求提供可规模化的解决方案。

DNA存储显示出在存储密度、寿命和能源消耗方面超越当前硅基数据存储技术的潜力。然而，通过从头合成的方式将大规模数据直接写入DNA序列，在时间和成本上都不经济。

在这项最新研究中，研究团队开发了一种非常规的DNA数据写入框架，该框架允许基于DNA自组装引导的酶促甲基化将任意的表观比特（epigenetic bits）以并行方式稳定地写入DNA模板上。

具体来说，研究团队从自然发生的甲基化（DNA的表观遗传修饰）获得灵感，提出了一种无需合成的方法，通过自组装引导的酶促甲基化，通过一组预先制备的DNA活字和甲基转移酶DNMT1，实现并行和选择性地将表观比特写入到DNA模板上，就像在纸上印刷文字一样。首先，设计并预制通用的单链DNA （ssDNA）载体和互补短ssDNA“砖块”文库。然后，通过将“砖块”文库装到DNA载体的相同加载序列上，任意表观比特信息被排版。接下来，碱基修饰（5-甲基胞嘧啶，5mC）通过DNMT1酶的选择性甲基化以并行的方式稳定地“打印”在DNA载体上。

这种称为“表观比特”的方法，类似于传统的比特，以两个二进制值中的一个（0或1）来存储信息，对应碱基是否甲基化。研究团队通过使用有限的700种DNA活字和5个模板进行编程，在一个自动平台上实现了约27.5万个比特的免合成写入，每个反应的写入输出为350比特，远远超过依赖DNA从头合成的数据存储系统每个反应约1比特的输出量。

通过纳米孔测序，以复杂表观遗传模式编码的数据可以高通量检索，研究团队还开发了算法来精细解析每个测序反应的240个修饰模式。