从智能手机和社交媒体到电子商务和科学研究,一切都在推动数据的空前激增。如今,每年产生的数据高达1021比特。随着数据的激增,我们对数据存储需求也不断增长,传统硅基材料存储难以满足日益增长的数据存储需求,这推动了人们寻求新的存储解决方案,例如基于DNA的存储。
DNA具有超高存储密度,仅1克DNA就足以存储1000万小时高清视频数据。此外,如果避免潮湿和紫外线照射,DNA可以保存数十万年之久。相比之下,硬盘往往需要每隔几年更换一次以数据损坏。因此,DNA显示出作为存储介质的巨大潜力。
然而,传统DNA数据存储方法依赖于从头合成DNA序列,这导致其局限性也十分突出——DNA合成速度慢、错误率高、合成费用昂贵。
DNA存储显示出在存储密度、寿命和能源消耗方面超越当前硅基数据存储技术的潜力。然而,通过从头合成的方式将大规模数据直接写入DNA序列,在时间和成本上都不经济。
在这项最新研究中,研究团队开发了一种非常规的DNA数据写入框架,该框架允许基于DNA自组装引导的酶促甲基化将任意的表观比特(epigenetic bits)以并行方式稳定地写入DNA模板上。
具体来说,研究团队从自然发生的甲基化(DNA的表观遗传修饰)获得灵感,提出了一种无需合成的方法,通过自组装引导的酶促甲基化,通过一组预先制备的DNA活字和甲基转移酶DNMT1,实现并行和选择性地将表观比特写入到DNA模板上,就像在纸上印刷文字一样。首先,设计并预制通用的单链DNA (ssDNA)载体和互补短ssDNA“砖块”文库。然后,通过将“砖块”文库装到DNA载体的相同加载序列上,任意表观比特信息被排版。接下来,碱基修饰(5-甲基胞嘧啶,5mC)通过DNMT1酶的选择性甲基化以并行的方式稳定地“打印”在DNA载体上。
表观比特DNA存储示意图
该策略可以使用预先制备的核酸并行写入DNA中的任意数据,而不是从头合成。这种酶打印工艺可能会降低成本和时间,超过化学合成的限制,而且高度特异性的“砖块”模板DNA组装赋予了数据写入的准确性。
基于表观比特条码的高位并行大规模存储