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随着信息技术的发展，数据真正成为了一种新型生产资料。不过，它的爆炸式增长也让存储成为新的挑战，基于硅材料的计算机存储方式逐渐变得难以应对。在此背景下，积极探索 DNA 存储以作为下一代的数据存储方式意义重大。

DNA 是一种非常稳定的分子，半衰期超过 500 年，低温条件下可保存成千上万年。DNA 存储在存储密度、寿命和能耗方面已显示出超越当前硅基数据存储技术的潜力。

DNA 存储的整个流程可大致分为 4 个步骤，即“编”“写”“存”“读”。如今使用 DNA 测序仪读取 DNA 四个字母的编码数据非常简单，而且速度相对较快。问题在于写入数据，这通常需要一次合成一个字母的定制 DNA 链。当今最快的 DNA 写入器每天可以合成约 3.2 亿字节的 DNA 数据，按照这种速度，写入 1g DNA 需要近 200 万年。且由于写入速度慢，成本也较高。

近日，北京大学定量生物学中心钱珑、欧阳颀，北京大学计算机学院张成，亚利桑那州立大学Hao Yan 等人在 Nature 发表最新研究成果，他们受表观遗传修饰和 DNA 自组装启发，开发了一种非常规的 DNA 数据写入框架，该框架允许基于 DNA 自组装引导的酶促甲基化将任意的“表观比特”（epi-bits）以并行方式稳定地写入 DNA 模板上。

这种方式不用从头构建 DNA，而是利用现有的 DNA 链，在合成后对其进行修饰。“epi-bits”的功能类似于活字印刷术中的活字，可以排列在通用的 DNA 模板上。

基于此方法，他们成功将中国古代汉代的老虎拓片图像和熊猫彩色图片存储在 DNA 中，并成功读出。文章题为“Parallel molecular data storage by printing epigenetic bits on DNA”。

图 | epi-bit DNA 存储示意图

他们合成了标准化的长模板单链 DNA 片段作为“纸张”，一系列短的、预制的 DNA 片段（有或没有甲基）作为“字体”，这些 DNA 片段每个长 24 个碱基，其序列被设计为与 DNA 模板上的特定区域结合。

利用甲基化，用数字 0 或 1 对短 DNA 片段进行编码，甲基的存在对应 1，甲基的缺失对应 0。在体内，细胞将甲基附着到特定的 DNA 序列上，以发出信号，指示哪些基因应该在不同组织中表达和沉默。

研究人员添加了甲基转移酶 DNMT1，通过 DNMT1 的选择性甲基化，表观遗传修饰作为信息位可以精确地引入到通用 DNA 模板上以实现分子活字印刷。

基于上述方法，研究人员存储了 269,337 比特的数据，包括中国古代汉代的老虎拓片图像和熊猫彩色图片，实现了每次反应 350 比特的速率。

图 | 通过 epi-bit 实现大规模存储

此外，研究人员还邀请了 60 名具有不同学术背景的学生志愿者，在教室中使用简单的 epi-bit 书写工具手动将他们选择的文本片段存储在 DNA 中。最后，存储的 15 篇文本中有 12 篇被成功恢复，并通过在线服务器安全地返回给了编写它们的团队。

由于该技术使用预制的 DNA 片段，因此可以进一步优化以进行批量生产。这将比为存储的每一位信息合成一条定制的 DNA 链便宜得多。目前用这种方法写入数据的成本约为每比特 0.003 美元。但团队相信随着商业化的推广和应用，成本会降低。

下一步，团队将研究该系统的扩展能力如何适应大量数据。他们正在研究用甲基以外的其他化学标记修饰 DNA 模板，以便在每条链上编码更多的数据，从而进一步加快速度。

参考链接：

1.Zhang, C., Wu, R., Sun, F. et al. Parallel molecular data storage by printing epigenetic bits on DNA. Nature 634, 824–832 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08040-5

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