NBT：DNA作为大容量存储介质的一天可能即将来临—— 新型信息存储介质：DNA

来源：BioArt

撰文 | 十一月

自磁带以及硬盘之后，DNA因具有良好的存储性能以及较长的半衰期，其作为存储介质的功能被科学家“瞄”上了【1】。

2019年12月9日，瑞士苏黎世联邦理工学院化学与应用生物科学系功能材料实验室Robert N. Grass以及以色列埃里希实验室Yaniv Erlich联合在Nature Biotehchnology杂志上发表了题为A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory的文章，设计了“DNA-of-things”(DoT)作为存储介质来存储数据，在DoT的工作框架中使用DNA进行数据存储的尝试，将DNA封存进纳米二氧化硅珠，并进行3D打印制造成“斯坦福兔子”以及尝试将视频信息压制进眼镜片之中，为DNA作为存储介质提供了新的可能性。

在数据指数级爆炸的今天，新型的存储介质的寻找已经成为刚需之一【2】。科学家们一直试图缩小存储介质比如硬盘或者磁带的存储结构，但是非常困难，这些硬件已经达到了他们的物理极限，很难进行进一步地集成和缩小。由于这些挑战的存在，DNA分子作为长期存储的介质的潜力则逐渐凸显出来。已有研究发现，每克DNA的数据存储量能够达到215PB，相约为2,2544,3840千兆字节（GB），相当于22万个1TB硬盘的数据存储量【1,2】。而且DNA作为存储介质，储存的半衰期可以达到数千年之久【3,4】。更进一步地，DNA作为存储介质可以不受形态的影响，可以将DNA制造成所需要的各种形状。

为了使用DoT框架制造存储介质，首先，作者们使用DNA Fountain【2】作为编码方案。这种方案提供了很高的灵活性，可以纠正信号丢失的错误，并已被证明能够完美地用于检索分钟级别数据的材料【2】。为了防止简单地将DNA与功能材料混合在一起由于水解压力和在制备混合物过程中升高的温度导致的DNA快速降解，作者们将DoT结构放进了二氧化硅纳米珠之中【5】，制成silica particle-encapsulated DNA 简称SPED。将SPED与其他的材料混合并使用3D打印技术或者其他的铸件技术构建出想要的形状（图1）。

图1 3D打印DoT“斯坦福兔子”的工作流程

在构建完成之后，作者们通过从SPED珠中恢复的DNA进行测序，50μL体积中25pg的DNA种包括5.4x冗余数据中进行读取信息，尽管原始的数据丢失了约5.9%，但是使用标准的计算机整个过程也不过只需要几分钟。

除此之外，作者们还想要检验是否能够用此技术进行数据封存，因此将DoT的DNA封存进了眼镜片中（图2）。尽管DNA吸收较短波长，但是普通的有机玻璃也能够阻挡紫外线，因此DNA的存在不会被暴露出来，可以秘密的存储视频信息进入镜片之中而不被发现。

图2 将油管上的视频封存进眼镜片中 

眼镜片这种存储让作者们脑洞大开，作者们认为可以将电子医疗记录用此方式进行存储，因为只需要保存5-10年，也可以用于制药行业以及电子元件行业。虽然最初的元件造价较高，但是后续进行复制的成本几乎可以忽略不计。另外，DoT结构的另外一个优点就是可以用于信息加密，前人的研究发现可以将信息存入DNA并制作成为小微粒【6】。DoT架构扩展了这一概念，并使得从钥匙链到瓶盖等各种日常物品都可以变成能够秘密传输数据的隐藏存储设备。试图拦截数据的对手将面临多重障碍:首先，SPED珠子不会改变材料的属性，这意味着对手将不得不测试多个可能的介质来揭示隐藏的信息。其次，DNA在SPED中被隔离，所以普通的DNA检测技术，比如紫外线是没有办法发现的。第三，即使文库被恢复，对手也必须知道退火温度和位点，才能通过PCR扩增信息。 

综上所述，这些性质表明DoT对恶意拦截具有很强的抵抗力，但是需要更多的研究去补充和优化这一功能。DNA作为大容量存储介质的一天可能即将来临。 

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41587-019-0356-z

参考文献

1. Church, G.M., Gao, Y. & Kosuri, S. Next-generation digital information storage inDNA. Science 337, 1628, doi:10.1126/science.1226355 (2012).

2. Erlich,Y. & Zielinski, D. DNA Fountain enables a robust and efficient storagearchitecture. Science 355, 950-954,doi:10.1126/science.aaj2038 (2017).

3. Grass,R. N., Heckel, R., Puddu, M., Paunescu, D. & Stark, W. J. Robust chemicalpreservation of digital information on DNA in silica with error-correctingcodes. Angewandte Chemie 54, 2552-2555,doi:10.1002/anie.201411378 (2015).

4. Zhirnov,V., Zadegan, R. M., Sandhu, G. S., Church, G. M. & Hughes, W. L. Nucleicacid memory. Nature materials 15, 366-370, doi:10.1038/nmat4594(2016).

5. Paunescu,D., Puddu, M., Soellner, J. O., Stoessel, P. R. & Grass, R. N. ReversibleDNA encapsulation in silica to produce ROS-resistant and heat-resistantsynthetic DNA 'fossils'. Nature protocols8, 2440-2448,doi:10.1038/nprot.2013.154 (2013).

6. Clelland,C. T., Risca, V. & Bancroft, C. Hiding messages in DNA microdots. Nature 399, 533-534, doi:10.1038/21092 (1999).