Nature子刊 | 第一款“生物照相机”，DNA就是未来的海量“U盘”

2023-07-20 00:07

这是世界上第一次，一种“生物相机”绕过了当前DNA存储方法的限制，利用活细胞及其固有的生物机制来编码和存储数据。这代表了直接在DNA中编码和存储图像的重大突破，创造了一种让人想起数码相机的信息存储新模式。由新加坡国立大学设计与工程学院的首席研究员副教授Poh Chueh Loo和新加坡国立大学临床与技术创新合成生物学(SynCTI)领导，该团队的研究结果可能会改变数据存储行业，并于2023年7月3日发表在《Nature Communications 》上。

解决全局数据过载的新范例

随着世界继续以前所未有的速度产生数据，数据已被视为21世纪的“货币”。据估计，全球数据圈在2018年为33 ZB，预计到2025年将达到175 ZB。这引发了人们对一种可以超越传统数据存储限制、解决资源密集型数据中心对环境影响的存储替代方案的追求。

直到最近，利用DNA存储其他类型的信息(如图像和视频)的想法才引起了人们的关注。这是由于DNA的非凡的存储能力，稳定性和长期相关性作为一种媒介的信息存储。

“我们正面临着即将到来的数据过载。DNA是地球上所有生物的关键生物材料，它储存的遗传信息编码了一系列负责各种生命功能的蛋白质。从这个角度来看，一克DNA可以存储超过21.5万TB的数据，相当于存储4500万张DVD的总和。”

“DNA也很容易用现有的分子生物学工具来操作，可以在室温下以各种形式储存，而且非常耐用，可以持续几个世纪，”与Poh副教授一起工作的研究生Cheng Kai Lim说。

尽管潜力巨大，但目前对DNA存储的研究主要集中在细胞外合成DNA链。这个过程是昂贵的，依赖于复杂的仪器，这也容易出错。为了克服这一瓶颈，Poh副教授和他的团队转向了活细胞，活细胞含有丰富的DNA，可以作为“数据库”，避免了外部合成遗传物质的需要。

通过纯粹的独创性和聪明的工程设计，该团队开发了“BacCam”——一个融合了各种生物和数字技术的新系统，利用生物组件来模拟数码相机的功能。

“把细胞内的DNA想象成一张未显影的胶片，”Poh副教授解释说。“利用光遗传学——一种用类似于照相机快门机制的光来控制细胞活动的技术，我们设法通过将光信号印在DNA‘胶片’上来捕捉‘图像’。”

接下来，研究人员使用类似于照片标签的条形码技术，对捕获的图像进行标记，以进行独特的识别。机器学习算法被用来组织、排序和重建存储的图像。这些构成了“生物相机”，反映了数码相机的数据捕获、存储和检索过程。

这项研究展示了该相机使用不同颜色的光线同时捕捉和存储多幅图像的能力。更重要的是，与早期的DNA数据存储方法相比，该团队的创新系统易于复制和扩展。

“随着我们推动DNA数据存储的界限，人们对弥合生物系统和数字系统之间的接口越来越感兴趣，”Poh副教授说。“我们的方法代表了将生物系统与数字设备集成的一个重要里程碑。通过利用DNA和光遗传电路的力量，我们创造了第一个‘活数码相机’，它为DNA数据存储提供了一种经济有效的方法。我们的工作不仅探索了DNA数据存储的进一步应用，而且还将现有的数据捕获技术重新设计为生物框架。我们希望这将为记录和存储信息的持续创新奠定基础。”

参考文献：A biological camera that captures and stores images directly into DNA

来源：生物通

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