開(kāi)發(fā)活細(xì)胞內(nèi)DNA大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與定點(diǎn)修改系統(tǒng)準(zhǔn)確率百分之九十以上

DNA是一種非常穩(wěn)定的分子，半衰期超過(guò)500年，低溫條件下可以保存成千上萬(wàn)年。而目前的磁或光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)保存數(shù)據(jù)一般不能超過(guò)一個(gè)世紀(jì)。除了穩(wěn)定性，DNA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的另一大優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)密度。DNA信息存儲(chǔ)密度的數(shù)量級(jí)是已知任何存儲(chǔ)技術(shù)的若干倍。例如，1千克DNA可以存儲(chǔ)2x 1024bits；相同數(shù)量的閃存需要多于109千克的硅。幾十千克的DNA就可以滿足全世界幾個(gè)世紀(jì)的需求。

不過(guò)，目前利用DNA進(jìn)行信息存儲(chǔ)還不夠靈活，被認(rèn)為更適用于存儲(chǔ)重要且無(wú)需經(jīng)常訪問(wèn)、調(diào)用的“冷數(shù)據(jù)”。這是因?yàn)椋c硅質(zhì)存儲(chǔ)芯片的毫秒級(jí)讀寫速度相比，DNA存儲(chǔ)從編碼寫入到讀取，整個(gè)過(guò)程都比較慢；另一方面，對(duì)存儲(chǔ)在細(xì)胞內(nèi)DNA中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)特異性重寫仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

研究表明，在大腸桿菌活細(xì)胞內(nèi)，文字、密碼表、圖片等信息可以被長(zhǎng)期穩(wěn)定地存儲(chǔ)、修改和復(fù)制，研究人員開(kāi)發(fā)了一種雙質(zhì)粒編輯系統(tǒng)用于準(zhǔn)確處理微生物載體中的數(shù)字信息。

“細(xì)胞內(nèi)存在各種酶，這決定了DNA在活細(xì)胞內(nèi)有它獨(dú)特的存在形態(tài)，與其在體外進(jìn)行信息存儲(chǔ)的方式不一樣。我們?cè)O(shè)想，利用目前熱門的基因編輯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在活細(xì)胞內(nèi)對(duì)DNA進(jìn)行編碼和寫入，同時(shí)通過(guò)Cas酶對(duì)存儲(chǔ)在細(xì)胞內(nèi)DNA中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)靈活地進(jìn)行修改。最終在活細(xì)胞內(nèi)將DNA的寫入、保存、修改、讀取快速地結(jié)合起來(lái)。”本文的通訊作者之一、清華大學(xué)化學(xué)系的劉凱教授說(shuō)。

劉凱博士畢業(yè)于荷蘭格羅寧根大學(xué)，之后在哈佛大學(xué)開(kāi)展博士后研究工作。回國(guó)后，團(tuán)隊(duì)于2018年承擔(dān)科技部的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃之一，利用DNA作為基元進(jìn)行編碼信息存儲(chǔ)。這也是目前劉凱課題組主要開(kāi)展的研究工作之一。

實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞內(nèi)DNA存儲(chǔ)信息的靈活改寫

DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)一般有兩種模式，即“體外硬盤模式”和“體內(nèi)CD模式”。體內(nèi)模式的主要優(yōu)點(diǎn)是其通過(guò)細(xì)胞復(fù)制低成本、可靠地復(fù)制染色體DNA。由于這個(gè)特性，它可以用于快速和低成本的數(shù)據(jù)復(fù)制傳播。然而，由于某些信息的編碼DNA序列包含大量重復(fù)和均聚物的出現(xiàn)，因此這些信息只能“寫入”和“讀取”，而不能準(zhǔn)確地“重寫”。

研究團(tuán)隊(duì)建立的活細(xì)胞DNA信息存儲(chǔ)與改寫系統(tǒng)

“在傳統(tǒng)的存儲(chǔ)介質(zhì)如電腦、硬盤中，信息可以直接進(jìn)行修改，例如，在Word文件上，我們可以輕易地修改任何一個(gè)字，且準(zhǔn)確率能夠達(dá)到100%。但是想要在細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)這種定點(diǎn)、精確的修改，涉及的技術(shù)非常重要。利用雙質(zhì)粒編輯系統(tǒng)對(duì)DNA存儲(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，幫助其從冷存儲(chǔ)轉(zhuǎn)向熱存儲(chǔ)，是我們整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的初衷。”劉凱表示。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)，在活細(xì)胞中構(gòu)建了集存儲(chǔ)與改寫功能于一體的雙質(zhì)粒信息存儲(chǔ)體系，與已有的DNA信息存儲(chǔ)方式相比，在降低寫入信息冗余度、提高活細(xì)胞信息存儲(chǔ)能力、簡(jiǎn)化信息讀取流程、提升信息保存安全性上都有顯著提升。該研究充分探索了DNA序列的編碼能力，不需要任何尋址索引和備份序列，并兼容多種編碼算法，最高的編碼效率可達(dá)每個(gè)核苷酸4.0位。

例如：在進(jìn)行小學(xué)數(shù)學(xué)的有關(guān)幾何圖形相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，老師就要對(duì)學(xué)生積極進(jìn)行提問(wèn)，促進(jìn)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)。比如，在為學(xué)生進(jìn)行了幾何圖形的初步講解之后，老師就要對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問(wèn)：“學(xué)生們進(jìn)行幾何圖形的學(xué)習(xí)對(duì)我們會(huì)有什么樣的幫助？在我們的生活中又有什么樣的用處呢？”然后讓學(xué)生以小組的形式進(jìn)行討論，注意每一組中都要保證組員之間的成績(jī)以及性格都有所不同。然后老師在組織學(xué)生進(jìn)行幾何圖形的制作，讓他們進(jìn)一步掌握相關(guān)內(nèi)容。這樣的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展，也有利于學(xué)生的共同進(jìn)步，有利于小學(xué)數(shù)學(xué)高效課堂的構(gòu)建。

值得注意的是，該研究設(shè)計(jì)的信息存儲(chǔ)與定點(diǎn)修改技術(shù)，不僅可以利用活細(xì)胞對(duì)外源數(shù)字信息實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)和穩(wěn)定拷貝，還能利用活細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)工具實(shí)現(xiàn)靈活的信息處理。

利用預(yù)設(shè)并優(yōu)化的CRISPR-Cas12a體系導(dǎo)向crRNA結(jié)合序列，可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有基因編輯相媲美的編輯成功率，并完成在分子水平精準(zhǔn)靶向多種類型復(fù)雜信息的修改處理目標(biāo)。另外，創(chuàng)新性引入熒光蛋白作為“報(bào)告器”進(jìn)一步使信息改寫可視化，極大地提高了改寫信息的讀取魯棒性，使分子水平信息存儲(chǔ)和修改的狀態(tài)直觀可見(jiàn)。這一研究解決了DNA作為存儲(chǔ)介質(zhì)無(wú)法對(duì)大數(shù)據(jù)信息進(jìn)行精準(zhǔn)改寫的難點(diǎn)，克服了DNA基質(zhì)只能作為冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的弊端，提升了DNA作為信息熱存儲(chǔ)介質(zhì)的能力。

“目前，通過(guò)這一系統(tǒng)我們能夠?qū)崿F(xiàn)90%以上的重寫準(zhǔn)確率，雖然沒(méi)有達(dá)到100%，但是已經(jīng)很高了。”

在活細(xì)胞內(nèi)對(duì)編碼的密碼表、圖片等DNA信息的存儲(chǔ)與改寫

將由大腸桿菌轉(zhuǎn)向真核細(xì)胞

“我們相信這種策略也可以應(yīng)用于具有更大基因組的活宿主，例如酵母，這將進(jìn)一步為大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)際應(yīng)用鋪平道路。”劉凱說(shuō)。

他進(jìn)一步解釋道，這項(xiàng)研究選擇大腸桿菌細(xì)胞進(jìn)行操作，是因?yàn)榕c真核細(xì)胞和人源細(xì)胞相比較，大腸桿菌的基因組非常小，相當(dāng)于做了一個(gè)小的存儲(chǔ)體系的數(shù)據(jù)修改和概念驗(yàn)證。不過(guò)，利用大腸桿菌能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量有限，針對(duì)和大數(shù)據(jù)、超大數(shù)據(jù)匹配性更強(qiáng)的酵母系列或者人源細(xì)胞進(jìn)行研究，可能更有意義。

“而如何實(shí)現(xiàn)在更高級(jí)的活細(xì)胞的基礎(chǔ)上進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)刪除和修改，是需要進(jìn)一步研究的。”

劉凱還表示，這一研究繼續(xù)展開(kāi)來(lái)非常有前景且能夠真正朝著產(chǎn)業(yè)化的方向推動(dòng)，對(duì)于整個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展非常重要。

他也透露，DNA信息存儲(chǔ)這一部分的研究接下來(lái)可能在長(zhǎng)三角布局。

談及不久前我國(guó)發(fā)布的國(guó)內(nèi)首部DNA 存儲(chǔ)行研報(bào)告《DNA 存儲(chǔ)藍(lán)皮書》，劉凱表示，BT和IT融合是近10年興起的新領(lǐng)域，這方面中國(guó)與西方國(guó)家的差距本來(lái)就很小，尤其是針對(duì)信息存儲(chǔ)這一塊。此次整個(gè)研究路線圖的發(fā)布，對(duì)于促進(jìn)中國(guó)國(guó)內(nèi)BT和IT融合的快速發(fā)展非常重要。

他繼續(xù)說(shuō)道，我國(guó)非常重視這一新興交叉領(lǐng)域的發(fā)展。國(guó)家科技部早在2021年就正式成立了BTIT專項(xiàng)，即生物技術(shù)和信息技術(shù)交叉融合專項(xiàng)。另外國(guó)家自然科學(xué)基金委交叉學(xué)部也支持了上海交大樊春海院士承擔(dān)的核酸信息材料的基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目。

劉凱說(shuō)：“在我看來(lái)，未來(lái)的存儲(chǔ)形態(tài)會(huì)發(fā)生一個(gè)質(zhì)的變化，而且，我認(rèn)為這也并不是一個(gè)新的學(xué)科，DNA本就是生命世界的信息存儲(chǔ)材料，DNA存儲(chǔ)不過(guò)是將外源性的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的思路應(yīng)用于內(nèi)源性的作為遺傳物質(zhì)的信息載體的基礎(chǔ)之上。這是一脈相承的，其發(fā)展非常有價(jià)值。”

除了DNA存儲(chǔ)的研究，劉凱的另一個(gè)主要研究方向是稀土生物合成系統(tǒng)的創(chuàng)建和應(yīng)用，利用開(kāi)發(fā)的底盤細(xì)胞進(jìn)行上游的稀土尾礦綠色處理到下游的稀土高性能生物材料的設(shè)計(jì)和制備，滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景的應(yīng)用需求，這些高性能材料主要包括高性能稀土生物纖維、粘附的蛋白膠水、稀土診療材料等。

劉凱表示，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種針對(duì)大動(dòng)脈或者說(shuō)緊急救治的材料，可以實(shí)現(xiàn)在一秒內(nèi)的快速止血，該項(xiàng)工作尚未發(fā)表。

截至目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有專利申請(qǐng)50項(xiàng)，授權(quán)24項(xiàng)，多項(xiàng)正在落地轉(zhuǎn)化。

接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)仍將重點(diǎn)發(fā)展合成生物學(xué)技術(shù)，一方面是圍繞DNA存儲(chǔ)領(lǐng)域，另一方面將繼續(xù)為制備快速救治和裝備的高性能材料服務(wù)。