According to current estimates, the amount of data produced by humans and machines is rising at an exponential rate, with the digital universe doubling in size every two years. Very likely, the magnetic and optical data-storage systems at our disposal won’t be able to archive this fast-growing volume of digital 1s and 0s anymore at some point. Plus, they cannot safely store data for more than a century without degrading.
解决这一悬而未决的全球数据存储问题的一个办法可能是将DNA——生命本身的信息存储系统——发展成一种数字数据存储介质。
研究人员已经将由数字编码组成的复杂信息编码成由A、T、G和C核苷酸碱基组成的DNA四字母编码。DNA是一种理想的存储介质，因为它能在数百年或数千年的时间里保持稳定，具有非凡的信息密度，而且它的信息可以通过不断降低成本的先进测序技术再次有效地读取(解码)。
滞后的是将信息写入DNA的能力。合成DNA序列的程序合成仍然主要是执行一个几十年的化学过程,称为“phosphoramidite方法,这需要很多的步骤,虽然能够多路复用,只能生成与多达约200个核苷酸的DNA序列的长度,使偶尔的错误。它还会产生对环境有害的副产品，与“清洁数据存储技术”不兼容。
以前,乔治教堂的团队在哈佛大学生物工程研究所和哈佛医学院(HMS)开发了第一个DNA存储方法,使用一个DNA-synthesizing生物被称为末端转移酶的酶(TdT),原则上,可以合成更长的DNA序列用更少的错误。现在，研究人员已经将计算机芯片工业中的光刻技术应用到DNA酶合成中，从而开发出一种新的方法来增强TdT优越的DNA书写能力。在他们发表在《自然通讯》上的研究中，他们演示了在1.2平方毫米的阵列表面上平行合成12条不同序列的DNA链。
“我们一直支持并大力追求使用DNA作为数据存档媒介，虽然访问频率不高，但具有非常高的容量和稳定性。我们和其他人的突破使加密在DNA中的数字数据数量呈指数级增长。”通讯作者丘奇说。“这项研究和其他在酶促DNA合成方面的进展将比化学方法更深入更快地推动DNA书写。”
丘奇是维斯研究所的核心教员，也是合成生物学重点领域的领导，DNA数据存储是其技术开发领域之一。他也是HMS的遗传学教授，哈佛和麻省理工的健康科学和技术教授。
虽然该小组的第一项策略是使用TdT酶作为DNA合成和数字数据存储的有效工具，用另一种酶控制TdT酶的活性，但他们在新研究中表明，TdT可以由由uv光组成的高能光子控制。高水平的控制是至关重要的TdT酶需要指示添加只有一个单一的或短块由一个四,T、G、C核苷酸碱基的DNA链精度高的在每个周期DNA合成过程。
使用特殊编码,计算方法,将数字信息编码成DNA编码和解码,教堂的团队开发了在以前的研究中,研究人员编码的前两个措施“Overworld主题”乐谱从1985年任天堂娱乐系统(NES)视频游戏超级马里奥兄弟在12合成DNA链。他们在一个表面只有1.2平方毫米的阵列矩阵上，通过延长短的DNA“引物”序列，利用光刻技术，将这些引物序列以3 – 4模式延长，从而产生了这些链。
第一作者Howon Lee说:“我们使用了计算机芯片工业使用的同样的光刻方法来制造具有纳米级精确度的电路的芯片来书写DNA。”他当时是Church小组的博士后研究员。“这为DNA酶合成提供了数据编码DNA链生产中前所未有的多路复用的潜力。”
与摄影术一样，光刻术利用光线将图像转移到基底上，从而引起化学变化。计算机芯片工业缩小了这一过程，并使用硅代替薄膜作为基板。丘奇的团队现在采用了芯片行业的新DNA书写方法，用含有短DNA引物序列的微流控细胞阵列矩阵代替了硅。
为了控制DNA合成引物定位在3 & # 215;4模式,团队指导一束紫外光到一个动态的面具(如在计算机芯片制造)——本质上是一个模板的3 & # 215;4模式激活DNA合成,缩小面具的另一边的梁与光学透镜阵列矩阵的大小。
”面具的紫外线反射模式精确击中目标区域的底漆伸长,使钴离子,TdT酶需要为了功能,通过降解光敏“闭锁”分子,使离子从负,”合著者丹尼尔Wiegand说,Wyss研究所研究员。“当紫外线被关闭，TdT酶因过量的封闭分子而再次失活时，它已经将一个核苷酸碱基或四个核苷酸碱基之一的同聚体块添加到不断增长的引物序列中。”
这个循环可以重复多次，在每一轮中只有四个核苷酸碱基中的一个或一个特定核苷酸碱基的均聚物加入到阵列矩阵中。此外，通过在每个周期中选择性地覆盖掩膜的特定开口，TdT酶只会将特定的核苷酸碱基添加到被紫外线激活的DNA引物上，从而使研究人员能够对每条链上的核苷酸序列进行完全编程。
“Photon-directed复合酶DNA合成这个新仪器平台上可以进一步发展,使更高的自动多路复用提高TdT)酶,最终使DNA数据存储更有效,更快,更便宜时,“共同通讯作者里奇Kohman说,领导高级研究科学家Wyss“合成生物学重点区域,帮助协调研究教会Wyss研究所的团队。
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这个由教会团队通过酶引导合成DNA的新方法是一种受生物启发的聪明的工程，它将DNA复制的力量与人类开发的最可控、最可靠的制造方法之一——光刻技术结合在一起提供一个解决方案,让我们更接近我们的目标建立DNA作为一个可用的数据存储介质,“Wyss研究所的创始董事因格贝尔说,他也是Judah Folkman血管生物学教授哈佛医学院和波士顿儿童医院和哈佛大学的生物工程教授约翰·a·保尔森工程和应用科学学院(海洋)。
这项研究的其他作者是丘奇团队的其他成员，包括Kettner Griswold、Sukunya Punthambaker，以及高丽大学生物医学工程教授洪谷春。这项工作是由维斯生物启发工程研究所资助的。
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