下一个前沿:DNA成为数据存储和计算的引擎

诸平

A new technology using DNA for data storage and computing has been unveiled by researchers from NC State and Johns Hopkins. This innovative approach includes creating dendricolloids to enhance data density and storage life, paving the way for molecular computing’s future. (Artist’s concept.) Credit: SciTechDaily.com

据美国北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University, Raleigh, NC, USA）2024年8月22日提供的消息，下一个前沿: DNA成为数据存储和计算的引擎（The Next Frontier: DNA Emerges as a Powerhouse for Data Storage and Computing）。

美国北卡罗来纳州立大学和美国约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University, Baltimore, MD, USA）的研究人员开发了一项突破性技术，利用DNA进行数据存储和计算，提供存储、检索、计算和重写数据等功能。相关研究结果于2024年8月22日已经在《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志网站在线发表——Kevin N. Lin, Kevin Volkel, Cyrus Cao, Paul W. Hook, Rachel E. Polak, Andrew S. Clark, Adriana San Miguel, Winston Timp, James M. Tuck, Orlin D. Velev, Albert J. Keung. A Primordial DNA Store and Compute Engine. Nature Nanotechnology, 2024. DOI: 10.1038/s41565-024-01771-6. Published: 22 August 2024. www.nature.com/articles/s41565-024-01771-6

这种技术是通过被称为树突胶体（dendricolloids）的创新聚合物结构实现的，它可以增强数据密度和保存。它可以实现与电子设备类似的功能，并可能在数千年内保护数据，为分子计算的未来提供了一个有希望的基础。

DNA数据存储与计算（DNA Data Storage and Computing）

北卡罗来纳州立大学和约翰霍普金斯大学的研究人员展示了一种技术，该技术能够使用DNA而不是传统的电子设备，重复存储、检索、计算、删除或重写数据，并具有数据存储和计算功能。以前的DNA数据存储和计算技术可以完成这些任务的一部分，但不是全部。

“在传统的计算技术中，我们理所当然地认为数据的存储方式和数据的处理方式是相互兼容的，”项目负责人、上述研究论文的共同通讯作者Albert Keung说。“但实际上，数据存储和数据处理是在计算机的不同部分完成的，现代计算机是一个复杂技术的网络。”Albert Keung是北卡州立大学化学与生物分子工程副教授，也是该校的晚安杰出学者（Goodnight Distinguished Scholar）。

Albert Keung说：“当数据以核酸的形式存储时，DNA计算一直在努力应对如何存储、检索和计算的挑战。对于电子计算来说，设备的所有组件都是兼容的这一事实是这些技术具有吸引力的原因之一。但是，到目前为止，人们认为，虽然DNA数据存储可能对长期数据存储有用，但开发一种包含传统电子设备中发现的全部操作的DNA技术将是困难或不可能的:存储和移动数据;读取、擦除、重写、重新加载或计算特定数据文件的能力;并以可编程和可重复的方式完成所有这些事情。”

基于DNA技术的突破（Breakthrough in DNA-Based Technology）

“我们已经证明了这些基于DNA的技术是可行的，因为我们已经制造了一个。”最新的技术使这项新技术成为可能，这些技术已经能够创造出具有独特形态的软聚合物材料。

北卡罗来纳州立大学S. Frank和Doris Culberson化学和生物分子工程杰出教授，上述研究论文的共同通讯作者奥林·韦列夫（Orlin Velev）说：“具体来说，我们已经创造了我们称之为树突胶状体的聚合物结构（created polymer structures that we call dendricolloids ），它们从微观尺度开始，但以分层的方式彼此分支，形成纳米级纤维网络。这种形态创造了一种具有高表面积的结构，这使得我们可以在纳米原纤维中存放DNA，而不会牺牲数据密度，这使得DNA首先具有数据存储的吸引力。”

“你可以把相当于一千台笔记本电脑的数据放入基于DNA的存储中，它的大小和铅笔橡皮擦一样大，”Albert Keung说。

创新功能和实际应用（Innovative Functions and Practical Applications）

该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学前博士生凯文·林(Kevin Lin)说：“将DNA信息与存储在其中的纳米纤维区分开来的能力，使我们能够执行许多与电子设备相同的功能。我们可以直接从材料的表面复制DNA信息而不损害DNA。我们也可以擦除目标DNA片段，然后重写到相同的表面，就像删除和重写存储在硬盘驱动器上的信息一样。它本质上允许我们进行全方位的DNA数据存储和计算功能。此外，我们发现，当我们将DNA沉积在树突胶质材料上时，这种材料有助于保存DNA。”

奥林·韦列夫说：“你可以说，Albert Keung的团队正在提供相当于微电路的东西，而我的团队创造的树突胶质材料提供了电路板。我们北卡罗来纳州立大学的合作者阿德里亚娜·圣米格尔（Adriana San Miguel）帮助我们将这些材料整合到微流体通道中，引导核酸和试剂的流动，使我们能够移动数据并启动计算命令。美国约翰·霍普金斯大学的温斯顿·提姆普（Winston Timp）研究组贡献了从材料表面的DNA复制RNA后直接读取其数据的纳米孔测序技术。詹姆斯·塔克（James Tuck）在北卡州立大学的实验室也开发了一种算法，可以让我们将数据转换成核酸序列，反之亦然，同时控制潜在的错误。”

未来展望及影响（Future Prospects and Implications）

研究人员已经证明，新的数据存储和计算技术，他们称之为“原始DNA存储和计算引擎”（“primordial DNA store and compute engine”），能够解决简单的数独（sudoku）和国际象棋问题。测试表明，它可以在商业空间中安全地存储数据数千年，而不会降低存储信息的DNA。

奥林·韦列夫说：“更重要的是，树突胶体宿主材料本身相对便宜且易于制造。”

“对于分子数据存储和计算有很多令人兴奋的事情，但是对于这个领域的实用性有多大，还存在一些重要的问题，”Albert Keung说。“我们回顾了计算机的历史，以及电子数值积分计算机（ENIAC）的诞生如何启发了这个领域。我们想要开发一些能够激发分子计算领域的东西。我们希望我们在这里所做的是朝着那个方向迈出的一步。”

Albert Keung和詹姆斯·塔克是DNAli数据技术公司（DNAli Data Technologies）的联合创始人，因此他们对翻译和商业化基于DNA的信息系统有潜在的兴趣。Albert Keung、凯文·沃尔凯尔（Kevin Volkel）、詹姆斯·塔克和凯文·林是专利申请WO 2020/096679的发明人，该专利已被授权给DNAli数据技术公司，上述介绍的部分内容来自该专利。这项工作得到了美国国家科学基金会{National Science Foundation (ECCS-2027655 and CSR-1901324)}资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

For first time, DNA tech offers both data storage and computing functions

Abstract

Any modern information system is expected to feature a set of primordial features and functions: a substrate stably carrying data; the ability to repeatedly write, read, erase, reload and compute on specific data from that substrate; and the overall ability to execute such functions in a seamless and programmable manner. For nascent molecular information technologies, proof-of-principle realization of this set of primordial capabilities would advance the vision for their continued development. Here we present a DNA-based store and compute engine that captures these primordial capabilities. This system comprises multiple image files encoded into DNA and adsorbed onto ~50-μm-diameter, highly porous, hierarchically branched, colloidal substrate particles comprised of naturally abundant cellulose acetate. Their surface areas are over 200 cm² mg⁻¹ with binding capacities of over 10¹² DNA oligos mg⁻¹, 10 TB mg⁻¹ or 10⁴ TB cm⁻³. This ‘dendricolloid’ stably holds DNA files better than bare DNA with an extrapolated ability to be repeatedly lyophilized and rehydrated over 170 times compared with 60 times, respectively. Accelerated ageing studies project half-lives of ~6,000 and 2 million years at 4 ℃ and −18 ℃, respectively. The data can also be erased and replaced, and non-destructive file access is achieved through transcribing from distinct synthetic promoters. The resultant RNA molecules can be directly read via nanopore sequencing and can also be enzymatically computed to solve simplified 3×3 chess and sudoku problems. Our study establishes a feasible route for utilizing the high information density and parallel computational advantages of nucleic acids.