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Sci. Adv.：清華劉凱、張洪杰團(tuán)隊(duì)開發(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)
來(lái)源：清華大學(xué)新聞網(wǎng) 2022-08-11
導(dǎo)讀：近日，清華大學(xué)化學(xué)系劉凱副教授、張洪杰院士團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）期刊發(fā)表了題為“活細(xì)胞內(nèi)高靶專一性和高魯棒性的數(shù)字信息分子級(jí)處理系統(tǒng)”（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(xì)胞內(nèi)，文字、密碼表、圖片等信息可以被長(zhǎng)期穩(wěn)定的存儲(chǔ)、修改和復(fù)制，并開發(fā)了一種雙質(zhì)粒編輯系通用于準(zhǔn)確處理微生物載體中的數(shù)字信息。
DNA信息存儲(chǔ)技術(shù)是近年來(lái)信息技術(shù)和生物技術(shù)等學(xué)科交叉的新領(lǐng)域，旨在解決大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)發(fā)展新介質(zhì)的迫切需求。DNA作為信息存儲(chǔ)介質(zhì)，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性、高存儲(chǔ)密度和低維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字信息可以通過(guò)算法編碼和DNA合成轉(zhuǎn)變?yōu)镈NA堿基序列，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分子級(jí)超高密度存儲(chǔ)。目前，DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)有兩種模式，即“體外硬盤模式”和“體內(nèi)CD模式”。基于細(xì)胞基因組自我復(fù)制的機(jī)制和特點(diǎn)，“體內(nèi)模式”相對(duì)于“體外模式”的優(yōu)點(diǎn)主要是信息的可控復(fù)制、低成本且可靠性強(qiáng)，使得這一類DNA存儲(chǔ)模式可用于快速、低成本的數(shù)據(jù)拷貝和傳播。然而，DNA信息存儲(chǔ)“體內(nèi)CD模式”的難點(diǎn)在于如何將“冷存儲(chǔ)”改進(jìn)為“熱存儲(chǔ)”——使數(shù)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(shí)現(xiàn)精確的信息“修改”。
研究團(tuán)隊(duì)建立的活細(xì)胞DNA數(shù)字信息存儲(chǔ)與改寫系統(tǒng)研究人員通過(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（4.0bits/nucleotide）。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)雜信息的信息修改處理目標(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。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。清華大學(xué)化學(xué)系為第一完成單位，化學(xué)系2020級(jí)博士研究生劉楊奕為論文第一作者，清華大學(xué)化學(xué)系副教授劉凱為通訊作者。清華大學(xué)化學(xué)系張洪杰院士和上海交通大學(xué)樊春海院士給予了大力指導(dǎo)，研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華大學(xué)春風(fēng)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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