活细胞内高靶专一性和高鲁棒性的数字信息分子级处理系统

　　

 

图 活细胞信息存储与改写系统示意

　　在国家自然科学基金项目（批准号：22125701、21877104、22107097、22020102003）等资助下，清华大学张洪杰院士、刘凯研究员团队在建立细胞内DNA数字信息存储与改写系统方面取得新进展，相关成果以“活细胞内高靶专一性和高鲁棒性的数字信息分子级处理系统（In vivo processing of digital information molecularly with targeted specificity and robust reliability）”为题，于2022年8月5日在《科学进展》（Science Advances）上发表。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo7415。

　　DNA作为可能的存储介质，具有稳定性强、存储密度高和维护成本低等优点，将数字信息编码并写入DNA序列，可实现数据的分子级存储。目前，DNA存储技术分为“体外硬盘模式”和“体内CD模式”。相较于“体外模式”，DNA“体内模式”具有信息复制成本低、可靠性强等优点，适用于快速、低能耗的数据拷贝和传播。然而，如何保证数字信息在DNA序列中被写入、保存和读取（冷存储）的同时实现信息的精确随机修改（热存储）是DNA“体内CD模式”亟待解决的难题。研究团队融合化学生物学与信息技术，在活细胞内构建了具有存储和改写功能的双质粒信息存储体系，利用基因编辑工具和重组酶对质粒进行体内剪切和修复，实现了文字、密码本、图片等信息的高成功率编辑（图）。同时，创新性地引入荧光蛋白报告器，实现了信息改写的宏观可视化，极大提高了改写信息的读取鲁棒性。此外，团队通过优化编码算法进一步探索了DNA序列的编码能力，实现信息编码效率高达每个核苷酸4.0位。

　　该活细胞信息存储与改写系统在降低信息冗余度、提高信息存储能力、简化信息读取流程、提升信息保存安全性等方面均有显著提升，解决了DNA作为存储介质无法对大数据信息进行精准改写的难题，体现了化学生物学技术在DNA信息存储领域的应用潜力。