清華新聞網(wǎng)2月27日電 在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，DNA存儲(chǔ)技術(shù)因其高密度、長(zhǎng)壽命、低能耗和高安全性等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。近期，清華大學(xué)機(jī)械工程系熊卓教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于工程化活體存儲(chǔ)微球（Engineered Living Memory Microspheroids，簡(jiǎn)稱 ELMM）的新型DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，為大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了新的解決方案。這種活體存儲(chǔ)微球攜帶彩色熒光標(biāo)記，被形象地稱為“細(xì)菌彩珠硬盤”。
圖1.基于“細(xì)菌彩珠硬盤”的DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)
傳統(tǒng)DNA存儲(chǔ)方法面臨數(shù)據(jù)檢索效率低、存儲(chǔ)成本高以及數(shù)據(jù)穩(wěn)定性不足等挑戰(zhàn)。熊卓教授團(tuán)隊(duì)將編碼后的DNA信息插入帶有熒光表達(dá)功能的質(zhì)粒中，并將其轉(zhuǎn)化至細(xì)菌內(nèi)部，隨后利用微流控技術(shù)將這些細(xì)菌封裝于水凝膠微球中，成功構(gòu)建了“細(xì)菌彩珠硬盤”。這種微球不僅能有效保護(hù)基因改性細(xì)菌免受外界環(huán)境干擾，防止泄漏，還能通過(guò)細(xì)菌產(chǎn)生熒光作為標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速檢索和分類。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)了ELMM在室溫下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，通過(guò)多次凍干和復(fù)水實(shí)驗(yàn)，證明其在多輪循環(huán)后仍能保持功能。此外，他們展示了ELMM系統(tǒng)的高檢索效率，借助熒光輔助分選（FAS）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定DNA數(shù)據(jù)的快速檢索，即使在數(shù)據(jù)拷貝量極少（每種文件約10個(gè)拷貝）的情況下，數(shù)據(jù)也能被準(zhǔn)確檢索，并通過(guò)細(xì)菌擴(kuò)增實(shí)現(xiàn)快速廉價(jià)信息拷貝，理論檢索速度可達(dá)196.72MB/s。該系統(tǒng)有望以一個(gè)普通家庭冰箱的體積（1.5m3）存儲(chǔ)約260700PB的信息。研究突破了現(xiàn)有DNA存儲(chǔ)的技術(shù)瓶頸，有望推動(dòng)DNA存儲(chǔ)技術(shù)走向應(yīng)用，為未來(lái)大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供高效、穩(wěn)定且可持續(xù)的解決方案。
圖2.傳統(tǒng)DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)（a）和“細(xì)菌彩珠硬盤”DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)（b）的工作流程
相關(guān)研究成果以“基于工程化活體存儲(chǔ)微球的檔案文件系統(tǒng)用于隨機(jī)可訪問(wèn)的體內(nèi)DNA存儲(chǔ)”（Engineered Living Memory Microspheroid-Based Archival File System for Random Accessible In Vivo DNA Storage）為題，于2月21日在線發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。
熊卓為論文通訊作者，清華大學(xué)機(jī)械系2021級(jí)博士生駱浩為論文第一作者。論文的其他合作者包括清華大學(xué)機(jī)械系原科研助理黃文、生命學(xué)院2020級(jí)本科生賀忠輝、機(jī)械系助理教授方永聰，以及機(jī)械系博士后田月明。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202415358
供稿：機(jī)械系
編輯：李華山
封面圖設(shè)計(jì)：賀茂藤
審核：郭玲
