NAT COMMUN | 一种核酸存储的新方式

作者：张铭芷

 

使用DNA作为数据储存材料一直是科学家们热衷于探索的内容。在先前的研究中，通常使用人工合成的DNA以序列排列方式来存储数据，并通过自动化的二代测序进行数据读取。在William L. Hughes团队发表的工作中，使用了一种新颖的数据存储方式：使用DNA-PAINT技术，通过光斑阵列进行信息的读取。

 

在团队报道的数字核酸记忆（dNAM）中，主体部分是一个origami面板。其中staples至多包含两段序列：其一用于origami结构的形成，另一用于形成对接位点结合荧光探针。通过选择具有(1)或不具有(0)对接位点域的单链DNA的组合来编码数据。使用DNA-PAINT通过超分辨率显微镜监测荧光探针的结合，从而读取编码到面板中的信息。

 

 

作者以存储及读取信息“Data is in our DNA!\n”为例展示了这一工作流程。首先，使用ASCII码对上述信息进行二进制转换，得到以01编码的数列。将数列以16位为一组分成10组，并对这10组信息使用喷泉码进行异或运算得到15组新的编码信息。同时，设置四位索引编码指示运算组合信息，并且设置四位方向信息。将新编码信息、索引信息和方向信息排布于一个6×8大小的矩阵中，填满矩阵的外边。

 

 

选择矩阵除边之外的内部区域为双级奇偶校验码，作为多层纠错使用，尽可能减少信息损失。编码完成后，将其设计成70 nm×95 nm的origami，其中每一检测点相距10 nm，矩阵中标记为1的点所用staple具有延伸端作为荧光探针识别区域，而标记为0的点所用staple不具有结合位点的延伸端。

 

 

 

荧光探针结合后，使用TIRF对origami进行成像，通过多次采样和叠加得到较高分辨率的图样，进行origami上编码信息的读取。通过在所读取的01数列中提取编码信息和索引信息，借助从其他origami上提取的编码信息和索引信息可以通过逆运算得到原始编码信息。在这个过程中，荧光探针的结合情况和TIRF成像的质量会直接影响到原始信息的复原，因此需要先通过双级奇偶校验码进行可能的纠错程序。大致流程是通过校验码检查编码信息是否符合最初编码时的规范，若符合则接受；若不符合，将进行信息的随机突变，直至符合规范；若无法得到符合规范的突变，则弃去。这种使用喷泉算法叠加校验码的策略，很好地保证了信息存入和读取的真实性。并且在信息读出时，由于每一编码信息都包含了一种或多种原始信息，因此，只需要得到足够量的编码信息便可以将原始信息复原。

 

 

最后，作者评估了这种存储方法信息的保真度及解析出现的错误类型，为评估和优化未来dNAM设计的折纸性能提供了有用的指导。

 

 

该工作的结果证明了编写和读取寡核苷酸编码的数字信息的概念。由于DNA的持久性，dNAM在档案信息存储方面将具有长期的潜力。如果dNAM要与已建立的内存存储系统竞争，未来的工作还需要解决可扩展性问题。在该工作中，作者描述了少量数据的存储以说明dNAM的潜力。若扩展到更大的数据集，则需要在写入和读取速度方面进行实质性的工程改进。对于写入，限速步骤是选择寡核苷酸数据链。为了使dNAM使用实验室硬件达到相当于磁带（每秒数百MB）的写入速度，显著提高每条链的位数和样品转移速度或合成DNA寡核苷酸的速度非常必要。以具有竞争力的速度将信息写入DNA是整个DNA存储领域面临的严峻挑战，可能会随着DNA合成市场的增加而快速创新。