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Sci. Adv.：清華劉凱、張洪杰團隊開發活細胞內DNA大數據存儲與定點修改系統
來源：清華大學新聞網 2022-08-11
導讀：近日，清華大學化學系劉凱副教授、張洪杰院士團隊在《科學·進展》（Science Advances）期刊發表了題為“活細胞內高靶專一性和高魯棒性的數字信息分子級處理系統”（In vivo processing of digital information molecularly with targeted specificity and robust reliability）的研究論文。文章展示，在大腸桿菌活細胞內，文字、密碼表、圖片等信息可以被長期穩定的存儲、修改和復制，并開發了一種雙質粒編輯系通用于準確處理微生物載體中的數字信息。
DNA信息存儲技術是近年來信息技術和生物技術等學科交叉的新領域，旨在解決大數據存儲對發展新介質的迫切需求。DNA作為信息存儲介質，具有極強的穩定性、高存儲密度和低維護成本等優點。數字信息可以通過算法編碼和DNA合成轉變為DNA堿基序列，實現數據的分子級超高密度存儲。目前，DNA數據存儲技術有兩種模式，即“體外硬盤模式”和“體內CD模式”。基于細胞基因組自我復制的機制和特點，“體內模式”相對于“體外模式”的優點主要是信息的可控復制、低成本且可靠性強，使得這一類DNA存儲模式可用于快速、低成本的數據拷貝和傳播。然而，DNA信息存儲“體內CD模式”的難點在于如何將“冷存儲”改進為“熱存儲”——使數字信息不僅能在DNA序列中被靈活地“寫入”“保存”“讀取”，還可以實現精確的信息“修改”。
研究人員通過利用CRISPR/Cas基因編輯技術，在活細胞中構建了集存儲與改寫功能于一體的雙質粒信息存儲體系，與已有的DNA信息存儲方式相比，在降低寫入信息冗余度、提高活細胞信息存儲能力、簡化信息讀取流程、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每個核苷酸4.0位（4.0bits/nucleotide）。值得注意的是，該研究設計的信息存儲與定點修改技術，不僅可以利用活細胞對外源數字信息實現高密度存儲和穩定拷貝，還能利用活細胞內的蛋白質工具實現靈活的信息處理。利用預設并優化的CRISPR-Cas12a體系導向crRNA結合序列，可以實現與現有基因編輯相媲美的編輯成功率，并完成在分子水平精準靶向多種類型復雜信息的信息修改處理目標。另外，創新性引入熒光蛋白作為“報告器”進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和修改的狀態直觀可見。這一研究解決了DNA作為存儲介質無法對大數據信息進行精準改寫的難點，克服了DNA基質只能作為冷數據存儲的弊端，提升了DNA作為信息熱存儲介質的能力。清華大學化學系為第一完成單位，化學系2020級博士研究生劉楊奕為論文第一作者，清華大學化學系副教授劉凱為通訊作者。清華大學化學系張洪杰院士和上海交通大學樊春海院士給予了大力指導，研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、清華大學春風基金的支持。論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo7415 參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/97183.htm
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