把四个字的座右铭变成DNA序列 以便存储和阅读

当摩尔定律接近极限时，迫切需要寻找新的存储介质。12月5日，记者从东南大学获悉，该校师生将“Stop at Best”校训翻译成英文，用四元编码，以DNA分子的形式存储在电极表面，最后读出，引发了未来高通量DNA自动存储的无限想象。相关成果近日发表于国际学术期刊《科学进展》。

由于生物技术的进步，特别是高通量DNA测序和合成技术的进步，以前只出现在科幻小说中的DNA数据存储技术正在兴起。脱氧核糖核酸是大多数生物的核心遗传物质，它记录了一个生命的所有遗传密码。该代码中有四个关键碱基，即脱氧核苷酸A(腺嘌呤脱氧核苷酸)、T(胸腺嘧啶脱氧核苷酸)、C(胞嘧啶脱氧核苷酸)和G(鸟嘌呤脱氧核苷酸)。

“DNA最初是生物用来存储生物基因数据的，基于DNA分子的数据存储系统被认为是近年来解决未来‘数据危机’的可行方案。”论文作者、东南大学生物科学与医学工程学院教授刘虹告诉记者。

“目前，信息存储在芯片等磁性材料上。缺点是存储密度不高，很难突破纳米级。然而，脱氧核糖核酸的分子尺度低于纳米水平。如果能存储，存储密度将比现在大1000倍，存储时间长，能耗低。”刘虹介绍，现有的DNA存储系统大多基于“编码-合成-存储-测序-解码”的操作过程，需要大型仪器和专业技术人员的参与。

为了实现DNA存储的小型化、集成化和自动化，刘虹带领团队开发了新的技术路径。“通俗地说，DNA的四个碱基，A、T、C和G，相当于二进制的0和1。它们的不同组合可以编码不同的信息。”刘虹解释说，在论文提到的实验中，他们把东南大学的校训“Stop at the Best”翻译成英文“Rest in the highest excellence”，每个字母都可以用二进制编码。研究小组将二进制数据转换成四进制数据，并将其存储在电极上合成的脱氧核糖核酸分子中。在读取信息时，团队通过算法将四进制数据转换为二进制数据，最终得到结果。

如何根据给定的信息排列组合A、T、C、G，从而实现信息传递？刘虹说，他们通过电化学脱保护技术改进了传统的亚磷酰胺化学合成方法，将A、T、C、G放入特殊的溶液中，通过它们与溶液的化学反应，按照特定的规则串联起来，然后基于电荷振荡现象对电极表面的DNA分子进行测序，读取DNA中存储的信息。

“这项技术的核心是整合信息的读写。由于分子信号很弱，如何在电极上稳定读取微弱信号更具挑战性。”刘虹说。

目前这项技术还处于实验室阶段。刘虹承认，如果DNA存储要商业化，就迫切需要改进溶液的化学合成方法。

“A、T、C和G的化学反应应该在溶液中完成。这种条件下的化学反应缓慢，导致信息转换效率低，即存储时间长。如果我们想将它们商业化使用，我们仍然需要解决信息转换效率的问题。”刘虹认为，但这并不影响DNA存储的未来前景，“DNA存储将有望成为下一代信息存储技术。”