敦煌壁画如何“活”在DNA里?

你能否想象,DNA(脱氧核糖核酸)也可成为一个“超级硬盘”,储存人类历史所遗留下来的庞大数据,并将这些珍贵数据妥善保管,使其得以“存活”千万年?

近日,中国科学院院士、天津大学教授元英进领衔的合成生物学团队,利用DNA信息存储技术实现了人类文化遗产的长期保存:将敦煌研究院提供的10幅精选敦煌壁画存入DNA中,通过加速降解实验验证,通过DNA存储创新算法,壁画信息可在实验室常温下可靠保存超过千年,或9.4℃下2万年。该算法支持DNA分子有望成为世界上最持久的数据存储介质之一,为长期保存人类历史文化遗产提供了一个潜在的数字化解决方案。相关成果在线发表于国际期刊《自然·通讯》(NatureCommunications)。

创新DNA信息存储技术

助力人类文化遗产传承万年

进入21世纪以来,全球数字信息呈爆炸式增长。国际数据公司(IDC)预测,全球数字信息5年平均复合增长率8%,总量在2025年将达到惊人的175ZB。这些数据需要1750亿个1TB机械硬盘才能完全存储。随着数据的快速增长,在可预见的未来,传统存储介质的发展速度都将无法满足数据增长需求。因此,开发新的数据存储技术就显得尤为重要。

元英进院士团队近年来致力于DNA存储这一颇具潜力的存储技术的攻关研究。“由于数字信息的爆炸式增长,全世界都在建数据中心,而数据中心的能耗是挑战。DNA存储由于其高存储密度与低能耗处理等特点,被视为一种具有潜力的存储技术,是应对数据存储增长挑战的新机遇,”元英进院士表示。

2021年8月,元英进院士团队从头编码设计合成了一条长度为254,886碱基的数据存储专用的人工酵母染色体,存储了两张经典图片和一段视频。并利用酵母繁殖实现了数据可靠复制和基于纳米孔测序仪的精确快速数据读取。该方法在“活”细胞内部利用几百K碱基对实现了几十KB外部数据存储,与以前只实现几K碱基的验证相比,是新的突破。“我们所研究的学科是合成生物学。早期在合成酵母染色体的工作中积累了丰富的DNA设计合成的经验,重塑了保存酵母遗传信息、具有生命活性的合成型染色体。这让我们意识到其实我们已经具备了将信息写入DNA并读取的能力,也正因此我们开展了诸如‘酵母光盘’‘DNA硬盘’等一系列的创新研究。考虑到此次的成果对人类文化遗产的长期保存的潜在价值,我们选取并存储了中华民族数千年历史文化的典型──敦煌壁画。我们也很高兴地看到我们研发的DNA存储技术可以为人类文化遗产的长期保存助力,”元英进介绍道。

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