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清华大学在活细胞内DNA大数据信息存取与修改方面取得进展

2024/04/23


图 活细胞信息存储与改写系统示意

  在国家自然科学基金项目(批准号:22125701、21877104、22107097、22020102003)等资助下,清华大学张洪杰院士、刘凯研究员团队在建立细胞内DNA数字信息存储与改写系统方面取得新进展,相关成果以“活细胞内高靶专一性和高鲁棒性的数字信息分子级处理系统(In vivo processing of digital information molecularly with targeted specificity and robust reliability)”为题,于2022年8月5日在《科学进展》(Science Advances)上发表。论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo7415。

  DNA作为可能的存储介质,具有稳定性强、存储密度高和维护成本低等优点,将数字信息编码并写入DNA序列,可实现数据的分子级存储。目前,DNA存储技术分为“体外硬盘模式”和“体内CD模式”。相较于“体外模式”,DNA“体内模式”具有信息复制成本低、可靠性强等优点,适用于快速、低能耗的数据拷贝和传播。然而,如何保证数字信息在DNA序列中被写入、保存和读取(冷存储)的同时实现信息的精确随机修改(热存储)是DNA“体内CD模式”亟待解决的难题。研究团队融合化学生物学与信息技术,在活细胞内构建了具有存储和改写功能的双质粒信息存储体系,利用基因编辑工具和重组酶对质粒进行体内剪切和修复,实现了文字、密码本、图片等信息的高成功率编辑(图)。同时,创新性地引入荧光蛋白报告器,实现了信息改写的宏观可视化,极大提高了改写信息的读取鲁棒性。此外,团队通过优化编码算法进一步探索了DNA序列的编码能力,实现信息编码效率高达每个核苷酸4.0位。

  该活细胞信息存储与改写系统在降低信息冗余度、提高信息存储能力、简化信息读取流程、提升信息保存安全性等方面均有显著提升,解决了DNA作为存储介质无法对大数据信息进行精准改写的难题,体现了化学生物学技术在DNA信息存储领域的应用潜力。


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