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    深圳科學(xué)家破解DNA存儲技術(shù)世界性難題

    發(fā)布時間:2022-04-27 11:15:00來源: 廣州日報

      深圳科學(xué)家破解DNA存儲技術(shù)世界性難題

      “DNA硬盤”登上頂級期刊

      4月25日,《自然-計(jì)算科學(xué)》發(fā)表了由深圳華大生命科學(xué)研究院主導(dǎo)的研究成果,研究團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了一套獨(dú)具優(yōu)勢的編解碼系統(tǒng),用以解決當(dāng)前DNA信息存儲領(lǐng)域的技術(shù)難題。

      據(jù)悉,研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合DNA雙鏈模型,開創(chuàng)了一套比特—堿基編解碼系統(tǒng),并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了該系統(tǒng)在信息密度、技術(shù)兼容性、數(shù)據(jù)恢復(fù)穩(wěn)定性等多方面的優(yōu)勢。

      廣州日報全媒體記者王納

      DNA數(shù)據(jù)存儲擁有巨大潛能

      我們知道,所有信息在計(jì)算機(jī)中只由二進(jìn)制的方式存儲,即0和1兩個數(shù)碼。而生物的遺傳信息則儲存在DNA中,以A、T、G、C四種堿基表現(xiàn)。

      也許你會思考:倘若把信息語言的0和1,轉(zhuǎn)換為生物語言的ATGC,我們是不是就能把各類信息長久地保存在DNA中,讓DNA成為“完美”的存儲器了?擅長把假設(shè)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的科學(xué)家,已經(jīng)用實(shí)際研究成果對這個問題給出了樂觀的回答。這也就是這項(xiàng)研究的重要意義。

      深圳華大生命科學(xué)研究院科研人員告訴記者,DNA的數(shù)據(jù)存儲潛能其實(shí)是超越現(xiàn)有信息存儲器的。

      隨著5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展,海量數(shù)據(jù)如何長期穩(wěn)定存儲已成為亟待解決的一大難題,而以“BT+IT”融合的DNA信息存儲技術(shù),或能為這個問題提供更優(yōu)解,因此受到了越來越多的關(guān)注。

      畢竟在存儲信息這件事上,DNA可以說是坐擁數(shù)十億年經(jīng)驗(yàn)的資深前輩。相較于現(xiàn)有的U盤、硬盤、磁帶等介質(zhì),DNA具備無法比擬的優(yōu)勢。

      一是超高的信息密度。2012年《科學(xué)》雜志文章指出,1克DNA理論上可以存儲455EB數(shù)據(jù),相當(dāng)于數(shù)千萬個1TB移動硬盤的大小。

      二是超長的待機(jī)時間。DNA作為相對穩(wěn)定的分子,其半衰期長達(dá)521年,在理想狀態(tài)下甚至可保存成千上萬年。

      三是超強(qiáng)的生物兼容性。DNA作為絕大多數(shù)生物遺傳信息的載體,相對無機(jī)物、金屬等存儲介質(zhì)而言,具有更強(qiáng)的生物兼容性。

      2019年,“DNA數(shù)據(jù)存儲器”入選《時代周刊》年度100項(xiàng)最佳發(fā)明。我們有理由相信,DNA憑借其獨(dú)家天然優(yōu)勢,在信息密度、復(fù)制與維護(hù)成本、使用壽命等方面都具有顛覆現(xiàn)有技術(shù)的巨大潛能。

      這項(xiàng)技術(shù)從2012年起步至今短短十年時間,DNA信息存儲領(lǐng)域已取得不少令人矚目的研究成果,包括檢索、修改等高級功能也已完成原理驗(yàn)證性的測試,以微軟、谷歌等產(chǎn)業(yè)巨頭形成的DNA存儲聯(lián)盟更是在為其商業(yè)化廣泛合作蓄勢。

      深圳科學(xué)家巧妙破難題

      但是,如何在保證信息轉(zhuǎn)換效率和技術(shù)兼容的同時,大幅提高信息恢復(fù)的穩(wěn)定性?這是DNA存儲中編解碼系統(tǒng)存在的棘手問題。如今,DNA存儲的技術(shù)壁壘,深圳華大生命科學(xué)研究院(以下簡稱“華大研究院”)提供了全新的解決思路。

      4月25日,華大研究院、深圳國家基因庫等多家機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在《自然》子刊《自然-計(jì)算科學(xué)》發(fā)表研究論文。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合DNA雙鏈模型,開創(chuàng)了一套比特—堿基編解碼系統(tǒng),驗(yàn)證了該系統(tǒng)在信息密度、技術(shù)兼容性、數(shù)據(jù)恢復(fù)穩(wěn)定性等多方面的優(yōu)勢。

      華大研究院團(tuán)隊(duì)以兩套不同的規(guī)則,分別對兩條二進(jìn)制信息進(jìn)行“一對一”編譯轉(zhuǎn)換,再取兩者統(tǒng)一交集的部分為最終解,實(shí)現(xiàn)將兩條獨(dú)立的信息組合統(tǒng)一為一串DNA序列。

      機(jī)智的朋友可能會問,人工合成的DNA要保存在哪?目前,常用的保存方法分為體內(nèi)和體外兩種模式,兩者孰優(yōu)孰劣尚未形成明確定論。為了全方位驗(yàn)證新系統(tǒng)的信息恢復(fù)穩(wěn)定性,華大研究院團(tuán)隊(duì)通過體外DNA干粉和細(xì)胞體內(nèi)大片段兩種存儲環(huán)境進(jìn)行測試,皆實(shí)現(xiàn)了原始存儲數(shù)據(jù)的完整恢復(fù)。

      在體外模式方面,研究結(jié)果證明,深圳科學(xué)家研究的編碼采用的線性數(shù)據(jù)恢復(fù)模式在每種DNA分子的平均拷貝數(shù)僅有100時,仍然能恢復(fù)最高88%的原始數(shù)據(jù)。

      在體內(nèi)模式方面,研究將信息存在了酵母活細(xì)胞的體內(nèi),酵母菌株經(jīng)過1000代以上傳代之后,信息仍可以被完美恢復(fù)。這在一定程度上意味著,利用活體細(xì)胞作為DNA存儲的載體,上千年后原始信息或仍能被解讀。這樣的存儲方式可以得到接近于天然DNA分子存儲理論極限的物理信息密度,每克DNA能存儲的信息量約為432.2EB。據(jù)透露,華大研究院團(tuán)隊(duì)曾將《開國大典》影片存儲于DNA中。

      該研究由深圳華大生命科學(xué)研究院主導(dǎo),深圳國家基因庫、首都師范大學(xué)、美國哈佛大學(xué)等多個研究團(tuán)隊(duì)共同參與。華大研究院平質(zhì)博士為論文第一作者。

      相信隨著華大等全球科研機(jī)構(gòu)、數(shù)字信息產(chǎn)業(yè)界的不斷突破,在不遠(yuǎn)的未來,“DNA硬盤”將成為我們?nèi)粘I钪斜夭豢缮俚臄?shù)據(jù)存儲設(shè)備之一。

    (責(zé)編: 陳濛濛)

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