《Nature》新型DNA“印刷机”快速存储海量数据

印刷机和活字印刷术（可以排列和上墨的金属字母）的发明引发了文艺复兴和信息爆炸，这种爆炸一直持续到今天。

　　

现在，研究人员报告说，在分子水平上应用可移动字体的概念，大大加快了在DNA链中编码数据的能力，DNA链是一种难以置信的高密度存储信息的介质。独立研究人员说，尽管目前只在实验室中进行了演示，但今天在《Nature》杂志上报道的这种新方法可以为新兴的DNA数据存储行业注入活力，因为它可以使重要信息存档几十年甚至更长时间都具有成本效益。

Altos实验室的基因组学专家Kun Zhang说：“这是一个非常好的概念验证，也是对以前DNA数据存储方法的重大改进。”

华盛顿大学的生物物理学家Jeff Nivala补充说：“它绕过了需要从头合成DNA的DNA数据存储障碍。”

DNA数据存储的吸引力是巨大的：一克DNA可以存储多达215pb的数据，足以存储1000万小时的高清视频。按照这个速度，几辆皮卡卡车的DNA就可以存储人类记录的所有数据。传统的电子硬盘在几年或几十年内就会退化，而DNA可以持续数千年。

此外，如今用DNA测序仪读出DNA四字母字母表编码的数据既直接又相对较快。问题是写入数据，这通常需要一次一个字母地合成定制的DNA链。今天最快的DNA编写者每天可以合成大约3.2亿字节的DNA数据。按照这个速度，写出一克DNA需要近200万年的时间。

北京大学计算生物学家Long Qian表示：“与硬盘驱动器相比，它负担不起，因为写入速度相当慢。”

为了加快速度，Qian和她的同事们从活字印刷术中寻找灵感，活字印刷术最初是在公元1040年左右在中国发明的，比约翰内斯·古腾堡的印刷机早400年，他们使用瓷器而非金属。作为“纸”，他们合成了长标准化的单链DNA模板片段。对于“类型”，他们合成了数百个短单链DNA“砖块”，每个“砖块”长24个碱基，其序列被设计成沿着DNA模板与特定区域结合。

然后，研究人员转向细胞中一种叫做甲基化的自然过程，用数字0或1对积木进行编码。在体内，细胞将甲基（一个碳原子和三个氢原子）附着在特定的DNA序列上，以指示哪些基因应该在不同的组织中表达和沉默。

为了存储DNA， Qian和她的同事们添加了一种酶，将甲基连接到一些DNA砖块（1s）上，而留下其他的(0)。就像文艺复兴时期的排字工人一样，他们选择砖块，用合适的15和0与模板对齐，以编码他们想要的任何数字文件。放置在溶液中，砖块很快找到并连接到模板上相应的序列。

最后，研究人员必须“墨汁”打字并打印到纸上。他们添加了一种被称为甲基转移酶的酶，这种酶可以将砖块上的所有甲基复制到模板链上的邻近位置，然后可以通过商业DNA测序机读取。他们演示了写入和读取包含近27万比特的文件，足以对老虎和大熊猫等高分辨率图像进行编码。

Qian说，目前用这种方法写入数据的成本约为每比特0.003美元。虽然这比DNA合成公司对每个新DNA字母的收费要高，但钱相信商业化操作将比她的实验室使用更少的试剂来降低成本。

但是Qian说，这项研究已经证明了将数据写入DNA的速度加快了。钱估计，这种新方法的商业版本可以达到每天2tb的速度，比目前最好的商业DNA合成器提高了6000倍。Qian和她的同事们现在正在寻找除了甲基之外的其他化学标记来修饰DNA模板，以便每条链编码更多的数据，并进一步加快速度。如果成功，活字印刷术可能不仅是古代的突破之一，也是未来的突破之一。