我們的DNA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的效率比人造設(shè)備高幾百萬倍，而現(xiàn)有的存儲(chǔ)解決方案成本很高，占用大量能源和空間。事實(shí)上，我們可以擺脫硬盤，在幾百磅的DNA中儲(chǔ)存地球上所有的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

使用DNA作為高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，有可能在生物傳感和生物記錄技術(shù)以及下一代數(shù)字存儲(chǔ)方面取得突破，但研究人員一直無法克服錄入效率低下的問題。

現(xiàn)在，西北大學(xué)的研究人員提出了一種將信息記錄到DNA的新方法，該方法僅需幾分鐘，而非幾小時(shí)或幾天就能完成錄入大量數(shù)據(jù)。該團(tuán)隊(duì)使用一種新的酶系統(tǒng)合成DNA，將快速變化的環(huán)境信號(hào)直接記錄到DNA序列中，該論文的資深作者說這種方法還將改變研究和記錄大腦內(nèi)部神經(jīng)元的方式。

這項(xiàng)研究上周四(9月30日)發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上。

資深作者，西北大學(xué)工程系教授Keith E.J. Tyo說，他的實(shí)驗(yàn)室對(duì)利用DNA創(chuàng)造新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案很感興趣。

"大自然擅長(zhǎng)復(fù)制DNA，但我們希望能夠從頭開始寫DNA。體外方法涉及緩慢的化學(xué)合成。用我們的方法寫入信息要便宜得多，因?yàn)楹铣蒁NA的酶可以直接被操縱。最先進(jìn)的細(xì)胞內(nèi)記錄甚至更慢，因?yàn)樗鼈冃枰憫?yīng)信號(hào)的蛋白質(zhì)表達(dá)的機(jī)械步驟，而我們的酶都是提前表達(dá)的，可以連續(xù)存儲(chǔ)信息。"

現(xiàn)有的將細(xì)胞內(nèi)分子和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)記錄到DNA的方法依賴于將新數(shù)據(jù)添加到現(xiàn)有DNA序列的多部分過程。為了準(zhǔn)確記錄，研究人員必須刺激和抑制特定蛋白質(zhì)的表達(dá)——可能需要超過10小時(shí)。

Tyo實(shí)驗(yàn)室使用所謂的Tdt進(jìn)行局部環(huán)境信號(hào)的時(shí)間敏感非模板化記錄(TURTLES)，來合成全新的DNA，而不是復(fù)制它的模板，從而實(shí)現(xiàn)更快和更高分辨率地記錄。

當(dāng)DNA聚合酶繼續(xù)添加堿基時(shí)，數(shù)據(jù)以分鐘為單位被編寫到遺傳密碼中，同時(shí)又因環(huán)境的變化，變更DNA的成分。環(huán)境的變化，如金屬濃度的變化，被聚合酶記錄下來，作為 "分子滴答帶"，向科學(xué)家指出環(huán)境變化的時(shí)間。使用生物傳感器來記錄DNA的變化，證明TURTLES在細(xì)胞內(nèi)的可行性，并可能使研究人員有能力使用記錄的DNA來了解神經(jīng)元如何相互溝通。

共同第一作者、Tyo實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Namita Bhan說："這是一個(gè)非常令人興奮的概念證明，有朝一日可以讓我們同時(shí)研究數(shù)百萬個(gè)細(xì)胞之間的相互作用。我不認(rèn)為以前有任何直接的酶調(diào)制記錄系統(tǒng)的報(bào)告。"

在身體之外，TURTLES系統(tǒng)也可用于解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求的爆炸性增長(zhǎng)(到2025年可達(dá)175兆字節(jié))。

它特別適合于長(zhǎng)期的檔案數(shù)據(jù)應(yīng)用，如存儲(chǔ)閉路安全錄像，該團(tuán)隊(duì)將其稱為 "只寫一次，永不讀取" 的數(shù)據(jù)，但需要在事件發(fā)生時(shí)可以訪問。有了工程師們開發(fā)的技術(shù)，大家數(shù)十年的硬盤收藏可以保存在DNA里——當(dāng)然不是我們自己的DNA。

在存儲(chǔ)之外，"滴答帶"可以被用作生物傳感器來監(jiān)測(cè)環(huán)境污染物，如飲用水中的重金屬濃度。

雖然實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)是超越數(shù)字和細(xì)胞記錄的概念證明，但該團(tuán)隊(duì)表示希望更多的工程師對(duì)這一概念感興趣，并能用它來記錄對(duì)其研究很重要的信號(hào)。

原文：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.