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Sci. Adv.：清華劉凱、張洪杰團隊開發(fā)活細胞內(nèi)DNA大數(shù)據(jù)存儲與定點修改系統(tǒng)
來源：清華大學新聞網(wǎng) 2022-08-11
導(dǎo)讀：近日，清華大學化學系劉凱副教授、張洪杰院士團隊在《科學·進展》（Science Advances）期刊發(fā)表了題為“活細胞內(nèi)高靶專一性和高魯棒性的數(shù)字信息分子級處理系統(tǒng)”（In vivo processing of digital information molecularly with targeted specificity and robust reliability）的研究論文。文章展示，在大腸桿菌活細胞內(nèi)，文字、密碼表、圖片等信息可以被長期穩(wěn)定的存儲、修改和復(fù)制，并開發(fā)了一種雙質(zhì)粒編輯系通用于準確處理微生物載體中的數(shù)字信息。
DNA信息存儲技術(shù)是近年來信息技術(shù)和生物技術(shù)等學科交叉的新領(lǐng)域，旨在解決大數(shù)據(jù)存儲對發(fā)展新介質(zhì)的迫切需求。DNA作為信息存儲介質(zhì)，具有極強的穩(wěn)定性、高存儲密度和低維護成本等優(yōu)點。數(shù)字信息可以通過算法編碼和DNA合成轉(zhuǎn)變?yōu)镈NA堿基序列，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分子級超高密度存儲。目前，DNA數(shù)據(jù)存儲技術(shù)有兩種模式，即“體外硬盤模式”和“體內(nèi)CD模式”。基于細胞基因組自我復(fù)制的機制和特點，“體內(nèi)模式”相對于“體外模式”的優(yōu)點主要是信息的可控復(fù)制、低成本且可靠性強，使得這一類DNA存儲模式可用于快速、低成本的數(shù)據(jù)拷貝和傳播。然而，DNA信息存儲“體內(nèi)CD模式”的難點在于如何將“冷存儲”改進為“熱存儲”——使數(shù)字信息不僅能在DNA序列中被靈活地“寫入”“保存”“讀取”，還可以實現(xiàn)精確的信息“修改”。
研究團隊建立的活細胞DNA數(shù)字信息存儲與改寫系統(tǒng)研究人員通過利用CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)，在活細胞中構(gòu)建了集存儲與改寫功能于一體的雙質(zhì)粒信息存儲體系，與已有的DNA信息存儲方式相比，在降低寫入信息冗余度、提高活細胞信息存儲能力、簡化信息讀取流程、提升信息保存安全性上都有顯著提升。該研究充分探索了DNA序列的編碼能力，不需要任何尋址索引和備份序列，并兼容多種編碼算法，最高的編碼效率可達每個核苷酸4.0位（4.0bits/nucleotide）。值得注意的是，該研究設(shè)計的信息存儲與定點修改技術(shù)，不僅可以利用活細胞對外源數(shù)字信息實現(xiàn)高密度存儲和穩(wěn)定拷貝，還能利用活細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)工具實現(xiàn)靈活的信息處理。利用預(yù)設(shè)并優(yōu)化的CRISPR-Cas12a體系導(dǎo)向crRNA結(jié)合序列，可以實現(xiàn)與現(xiàn)有基因編輯相媲美的編輯成功率，并完成在分子水平精準靶向多種類型復(fù)雜信息的信息修改處理目標。另外，創(chuàng)新性引入熒光蛋白作為“報告器”進一步使信息改寫可視化，極大地提高了改寫信息的讀取魯棒性，使分子水平信息存儲和修改的狀態(tài)直觀可見。這一研究解決了DNA作為存儲介質(zhì)無法對大數(shù)據(jù)信息進行精準改寫的難點，克服了DNA基質(zhì)只能作為冷數(shù)據(jù)存儲的弊端，提升了DNA作為信息熱存儲介質(zhì)的能力。清華大學化學系為第一完成單位，化學系2020級博士研究生劉楊奕為論文第一作者，清華大學化學系副教授劉凱為通訊作者。清華大學化學系張洪杰院士和上海交通大學樊春海院士給予了大力指導(dǎo)，研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發(fā)計劃、清華大學春風基金的支持。論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo7415 參考資料：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/97183.htm
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