科研进展 | 杨朝勇教授&张惠敏副研究员团队在DNA信息存储领域取得重要进展

　　嘉庚创新实验室杨朝勇教授和张惠敏副研究员团队在DNA信息存储领域取得重要进展，相关成果以“DNA-DISK: automated end-to-end data storage via enzymatic single-nucleotide DNA synthesis and sequencing on digital microfluidics”为题近日发表于Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.（美国国家科学院院刊，DOI: doi.org/10.1073/pnas.2410164121）。

　　自全球迈入信息化时代以来，信息化浪潮带动了数字经济和人工智能等新兴技术的高速发展，随之而来的是全球数据产出量的爆炸式增长。全球数据量的增加，将远远超出当前主流存储技术（包括磁性、光学和固态存储）的容量。寻求全新的存储介质与模式成为一个亟待解决的关键问题。脱氧核糖核酸（DNA）因其具有更高的存储密度、更长的保存时间和更低的功耗需求，已经逐渐成为一个备受瞩目的“候选者”。目前，DNA信息存储已初步实现信息的写入、存储和解码的完备流程。然而，当前大多数工作依赖于大型DNA商业化的服务或仪器以实现信息写入与读出，这种非连续且非专用的模式使DNA信息存储在更广的实际应用中面临诸多挑战——例如：难以系统性自动化所造成的高读写延时，复杂且昂贵的服务或仪器所带来的高准入门槛，以及闭源性分布式处理所导致的高信息安全风险等。

　　针对当前DNA信息存储领域面临的“写入-存储-读取”一体化难题，项目团队成功开发了一种基于数字微流控技术 （Digital Microfluidics, DMF）的全自动化DNA信息存储解决方案，即DNA-DISK平台。这一创新平台实现了DNA信息存储全流程的集成化、自动化和小型化。DNA-DISK平台首次采用单碱基酶促合成技术进行信息写入，有效降低了信息编译的冗余度，为数据写入提供了一种环保且经济的方法；利用焦磷酸测序技术对DNA进行片上测序，实现了信息的原位解码。此外，通过热响应凝胶封装技术，DNA信息得以在芯片上实现原位封装，不仅提升了芯片的便携性，还可以防止DNA的降解。项目团队设计了配套的桌面式仪器，使得DNA信息存储操作变得像使用U盘一样便捷，能够在多种通用场景下完成信息的写入、存储和读取全流程操作。为了验证DNA-DISK平台的实用性和有效性，团队利用该平台对厦门大学校训“自强不息，止于至善”以及《茉莉花》乐谱文件（共228比特，读写延时4.4分钟/比特）进行了编码和存储，并成功实现了信息的准确解码。这一成果不仅证明了DNA-DISK平台的可行性，更展示了其在未来发展成为“DNA硬盘”的巨大潜力，为DNA信息存储带来了新思路。

　　该工作在嘉庚创新实验室杨朝勇教授和张惠敏副研究员的指导下完成。厦门大学化学化工学院2021级博士生李堃杰为论文的第一作者。研究工作得到了国家重点研发计划（2019YFA0905800，2021YFA0909400）、国家自然科学基金（21974113，21974112，21904085）以及嘉庚创新实验室科技项目等资助。特别感谢中国科学院天津工业生物技术研究所和天津中合基因科技有限公司对本工作的支持。

编辑:嘉庚创新实验室