Nature | 北京大学钱珑、张成课题组开发表观比特DNA存储新技术

Nature | 北京大学钱珑、张成课题组开发表观比特DNA存储新技术

2024年10月23日，北京大学定量生物学中心钱珑团队与计算机学院张成团队合作，在国际学术期刊Nature上发表重要研究成果，提出了一种无需从头合成的DNA存储策略。该技术通过DNA自组装与选择性酶促甲基化的组合原理，成功将5-甲基胞嘧啶编码的数字信息并行打印在DNA分子上，为未来实用型DNA存储技术的发展提供了全新思路。

大数据时代，全球数据洪流对数据存储技术提出了严峻挑战。DNA分子具有超高的数据存储密度和超长寿命，已成为备受瞩目的颠覆性存储介质。然而，传统DNA存储依赖“从头合成”的信息写入路线，在成本和速度上面临巨大挑战。

不同于传统技术路线，钱珑、张成团队开发的“表观比特（epi-bit）”DNA存储利用预制的DNA模板和分子活字块，通过DNA自组装介导的分子信息排版，经选择性酶促甲基修饰转移，实现了分子级“活字印刷”信息打印（图1）。

图1. 表观比特DNA存储的基本原理（a-b）和流程（c-e）。

团队在实验中，将中国汉代“白虎”瓦当和国宝大熊猫“飞云”的高清图片成功写入DNA分子中，数据量超过27.5万比特，相比此前发表的其他非传统DNA存储技术，数据规模提升超300倍。信息读取使用便携式纳米孔测序仪，实现了对DNA模板上复杂表观比特信息的高通量读取，并通过单次超240种不同修饰模式的并行解析，无损还原了原始数据。实验结果验证了该创新型分子存储技术的可行性和准确性，还展示了表观比特的稳定性（图2）。

图2. 大规模表观比特DNA存储和读取结果分析。

值得关注的是，团队还展示了这项技术的分布式存储应用潜力。在个人定制DNA存储（iDNAdrive）的实验中，团队邀请了60名背景广泛的青年志愿者，由他们在非专业环境下（普通教室），将私人数据亲手写入DNA，相关数据直到测序才能够被解读。这种分布式DNA存储方式，不仅能极大降低DNA存储的使用门槛，且保障了数据隐私，有望推动DNA存储的个人应用（图3）。

图3. iDNAdrive存储实验。

“在DNA这张白纸上批量打印信息，相比于传统“从头合成”路线的逐个添加分子比特信息，代表着DNA存储的重要技术突破。”钱珑研究员表示，“未来，任何人在任何地点都能实现简单、准确、高效的DNA数据存储，而无需依赖大型实验仪器。同时，结合更多样的碱基修饰、碱基类似物和更精确的测序技术，epi-bit DNA存储的规模和可靠性都将进一步提升。”

表观比特DNA存储框架为大规模数据存储提供了全新的解决方案，有望突破DNA存储的成本和速度壁垒。该技术的开发，还展现了非传统分子比特在数据存储中的独特优势，为未来相关分子信息系统的研究奠定了基础。