我们的DNA存储数据的效率比人造设备高几百万倍,而现有的存储解决方案成本很高,占用大量能源和空间。事实上,我们可以摆脱硬盘,在几百磅的DNA中储存地球上所有的数字数据。

使用DNA作为高密度数据存储介质,有可能在生物传感和生物记录技术以及下一代数字存储方面取得突破,但研究人员一直无法克服录入效率低下的问题。

现在,西北大学的研究人员提出了一种将信息记录到DNA的新方法,该方法仅需几分钟,而非几小时或几天就能完成录入大量数据。该团队使用一种新的酶系统合成DNA,将快速变化的环境信号直接记录到DNA序列中,该论文的资深作者说这种方法还将改变研究和记录大脑内部神经元的方式。

这项研究上周四(9月30日)发表在《美国化学学会杂志》上。

资深作者,西北大学工程系教授Keith E.J. Tyo说,他的实验室对利用DNA创造新的数据存储解决方案很感兴趣。

"大自然擅长复制DNA,但我们希望能够从头开始写DNA。体外方法涉及缓慢的化学合成。用我们的方法写入信息要便宜得多,因为合成DNA的酶可以直接被操纵。最先进的细胞内记录甚至更慢,因为它们需要响应信号的蛋白质表达的机械步骤,而我们的酶都是提前表达的,可以连续存储信息。"

现有的将细胞内分子和数字数据记录到DNA的方法依赖于将新数据添加到现有DNA序列的多部分过程。为了准确记录,研究人员必须刺激和抑制特定蛋白质的表达——可能需要超过10小时。

Tyo实验室使用所谓的Tdt进行局部环境信号的时间敏感非模板化记录(TURTLES),来合成全新的DNA,而不是复制它的模板,从而实现更快和更高分辨率地记录。

当DNA聚合酶继续添加碱基时,数据以分钟为单位被编写到遗传密码中,同时又因环境的变化,变更DNA的成分。环境的变化,如金属浓度的变化,被聚合酶记录下来,作为 "分子滴答带",向科学家指出环境变化的时间。使用生物传感器来记录DNA的变化,证明TURTLES在细胞内的可行性,并可能使研究人员有能力使用记录的DNA来了解神经元如何相互沟通。

共同第一作者、Tyo实验室的博士后研究员Namita Bhan说:"这是一个非常令人兴奋的概念证明,有朝一日可以让我们同时研究数百万个细胞之间的相互作用。我不认为以前有任何直接的酶调制记录系统的报告。"

在身体之外,TURTLES系统也可用于解决数据存储需求的爆炸性增长(到2025年可达175兆字节)。

它特别适合于长期的档案数据应用,如存储闭路安全录像,该团队将其称为 "只写一次,永不读取" 的数据,但需要在事件发生时可以访问。有了工程师们开发的技术,大家数十年的硬盘收藏可以保存在DNA里——当然不是我们自己的DNA。

在存储之外,"滴答带"可以被用作生物传感器来监测环境污染物,如饮用水中的重金属浓度。

虽然实验室的重点是超越数字和细胞记录的概念证明,但该团队表示希望更多的工程师对这一概念感兴趣,并能用它来记录对其研究很重要的信号。

https://news.northwestern.edu/stories/2021/10/intracellular-recording-data-to-dna/#:~:text=The%20Tyo%20lab%20hypothesized%20they%20could%20use%20a,it%2C%20making%20a%20faster%20and%20higher%20resolution%20recording.

ps 西北大学最近有个大新闻。2021年9月22日,大学宣布其筹款活动“We Will”,从西北社区的174000多名成员那里筹集了超过60亿美元的巨款。


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