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2023年42篇（共392篇）原創(chuàng)文章 4月末，有幸收到元英進(jìn)院士邀請(qǐng)，到天津參加京津冀DNA存儲(chǔ)前沿研討會(huì)。因上個(gè)月二陽(yáng)后身體不適，公眾號(hào)緩慢更新，很是抱歉。元老師的報(bào)告內(nèi)容豐富，我分成上、中、下三篇撰寫(xiě)“聽(tīng)講筆記”。行文過(guò)程中得到元老師親自指導(dǎo)，他非常認(rèn)真，我受益匪淺，萬(wàn)分感激。如有錯(cuò)漏之處，還是我個(gè)人的學(xué)識(shí)淺薄所致，文責(zé)自負(fù)，敬請(qǐng)指正。本文主要介紹DNA存儲(chǔ)研究實(shí)例和面臨挑戰(zhàn)。實(shí)例：高可靠硬盤(pán)模式——1c㎡存儲(chǔ)2億部電影 元老師主持的項(xiàng)目，將開(kāi)國(guó)大典視頻、十九大報(bào)告的視頻和文字（＞3MB），存儲(chǔ)進(jìn)3微克的凍干粉內(nèi)。
先把0-1數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，然后分割為子塊。每個(gè)子塊用一條長(zhǎng)為96個(gè)堿基的鏈，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。但鏈的數(shù)量太多了，彼此怎么“區(qū)分”？我們就像看書(shū)加索引一樣，索引也是ATCG的序列。兩邊再加引物，便擴(kuò)增出來(lái)。由此合成了4600w個(gè)堿基，形成寡核苷酸的合成池，存儲(chǔ)進(jìn)3微克的凍干粉。讀取時(shí)，選擇pg級(jí)樣品進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR），最終通過(guò)高通量測(cè)序，獲取大量讀段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)修復(fù)。
按照這樣的技術(shù)，存儲(chǔ)密度為125PB/g=212.5PB/cm3，高于目前存儲(chǔ)介質(zhì)5-7個(gè)數(shù)量級(jí)。大家可以想象一下，一個(gè)方糖大小的存儲(chǔ)介質(zhì)（1cm3），可以存放212.5*1024個(gè)TB，即217600TB的信息。假設(shè)一部高清電影需要1GB的存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)2億多部電影，只需要1塊“方糖”。
更多的內(nèi)容，可以參考元老師團(tuán)隊(duì)的論文：元英進(jìn)*. 音視頻文件的DNA信息存儲(chǔ). 中國(guó)科學(xué)· 生命科學(xué), 2019, 49: 1–5.
實(shí)例：光盤(pán)模式——酵母也可當(dāng)CD 大家都知道酵母有16條染色體，元老師課題組加了一條人工染色體，用于存儲(chǔ)數(shù)字信息。編碼設(shè)計(jì)→合成組裝→支持穩(wěn)定復(fù)制→基于蛋白納米測(cè)序讀取。
酵母CD，采用具有糾錯(cuò)能力的編碼方法，將圖片及視頻等數(shù)字化信息，轉(zhuǎn)化成DNA序列，通過(guò)酵母體內(nèi)一次組裝，將序列和載體共同構(gòu)建穩(wěn)定的環(huán)狀DNA，作為新型存儲(chǔ)介質(zhì)。讀取時(shí)，數(shù)據(jù)隨酵母指數(shù)型快速擴(kuò)增，只需要89個(gè)小時(shí)，全球每一個(gè)人都可以擁有一份存儲(chǔ)在酵母CD中的數(shù)據(jù)副本。
美國(guó)紐約大學(xué)Jef Boeke院士在2015年酵母基因組合成國(guó)際聯(lián)盟會(huì)議上明確指出： 天津大學(xué)開(kāi)發(fā)的缺陷快速定位（PoPM）和精確修復(fù)方法，大大加速了整個(gè)酵母基因組合成國(guó)際計(jì)劃的進(jìn)展。 元老師團(tuán)隊(duì)的合成酵母染色體工作，“突破了目前在單個(gè)細(xì)胞內(nèi)僅有幾千個(gè)堿基的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量——帝國(guó)理工Tom Ellis”。 
因此，該工作榮獲2017年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展的殊榮，并編入美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)的BAG本科課程。 更多內(nèi)容可閱讀元老師的論文： Yuan YJ* et al., (2021). An artificial chromosome for data
storage. National Science Review, 8(5):nwab028.
Yuan YJ* et al. Science, 2017, 355:
eaaf4706. Yuan YJ* et al. Science,
2017, 355: eaaf4704.
實(shí)例：將10幅敦煌壁畫(huà)存入DNA 敦煌壁畫(huà)是我國(guó)的文化瑰寶，但隨著時(shí)間的流逝，因風(fēng)化等問(wèn)題造成的損毀嚴(yán)重。只有運(yùn)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)提高保護(hù)水平，才能讓這一世界文化遺產(chǎn)代代相傳。元老師團(tuán)隊(duì)將10幅敦煌壁畫(huà)，編碼成為21萬(wàn)條DNA寡核苷酸鏈，合成寡核苷酸池。通過(guò)加速老化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，壁畫(huà)的數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室常溫下可保存超過(guò)1千年，在9.4℃條件下，可保存2萬(wàn)年。DNA分子成為世界上最可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)之一，可以讓面臨老化破損危機(jī)的人類(lèi)文化遺產(chǎn)信息保存千萬(wàn)年甚至更久。詳情可見(jiàn)元老師論文：Yuan YJ* et al. Nature Communications. 2022DNA合成突破的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 序列合成，關(guān)鍵是成本、通量、合成速度。目前，合成存儲(chǔ)1MB數(shù)據(jù)，需要5萬(wàn)人民幣。也就是說(shuō)，通過(guò)DNA存儲(chǔ)一張照片都要好幾萬(wàn)（手機(jī)里隨手拍的照片精貴了吧）。
成本有希望降低么？有，但需要借助大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)的提升。做個(gè)類(lèi)比，原油大約3300元/噸，生產(chǎn)出聚乙烯7330元/噸。差價(jià)只有2倍多。但為何生產(chǎn)聚乙烯還賺錢(qián)呢？因?yàn)橛昧看?，催生大?guī)模生產(chǎn)，就把成本降下來(lái)了。我們?cè)倏磫蝹€(gè)堿基的成本，非常低。從單體到產(chǎn)品，有50-100倍的差距。
因此，需要科技工作者眾志成城，把DNA存儲(chǔ)成本降下來(lái)，用量提上去，進(jìn)入可商業(yè)化的良性循環(huán)。
1. DNA存儲(chǔ)是合成生物學(xué)與信息技術(shù)融合的典范。借助高通量DNA合成與測(cè)序，有望滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。可以利用生物技術(shù)，應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體與信息技術(shù)面臨的趨向極限的挑戰(zhàn)。
2. 基于人工染色體的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，完成了一種全新的DNA存儲(chǔ)方式的概念驗(yàn)證，豐富了DNA功能研究的案例。 3. DNA存儲(chǔ)存在合成成本高、讀寫(xiě)速度慢、與現(xiàn)代存儲(chǔ)系統(tǒng)融合等挑戰(zhàn)。 
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