北卡罗来纳州立大学和约翰霍普金斯大学的研究人员开发了一种突破性技术，该技术利用DNA进行数据存储和计算，具备存储、检索、计算和重写数据等功能。
这种技术通过称为树状胶体的创新聚合物结构得以实现，提高了数据密度和保存性。它能够实现与电子设备类似的功能，并有可能将数据保存数千年，为分子计算的未来提供了有前景的基础。
DNA数据存储与计算
北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University）和约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）的研究人员展示了一种技术，该技术能够执行一系列数据存储和计算功能——反复存储、检索、计算、擦除或重写数据——它使用的是DNA而不是传统电子产品。以往的DNA数据存储和计算技术能够完成其中一些任务，但并非全部。
“在传统的计算技术中，我们认为数据存储的方式和数据处理的方式是彼此兼容的，”该项目的负责人、一篇关于这项工作的论文的共同通讯作者阿尔伯特·姜（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进行的，而现代计算机是一个复杂技术的网络。”姜是北卡罗来纳州立大学（NC State）化学与生物分子工程学的副教授和古德奈特杰出学者。
“当数据以核酸的形式存储时，DNA计算一直在努力解决如何存储、检索和计算的问题，”邝说。“对于电子计算来说，设备所有部件的兼容性是这些技术具有吸引力的原因之一。但到目前为止，人们一直认为，虽然DNA数据存储可能对长期数据存储有用，但要开发一种涵盖传统电子设备中所有操作的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；以及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
“我们已经证明了这些基于DNA的技术是可行的，因为我们已经制造出了一个。”
新技术得益于最近的技术进步，这些技术能够创造出具有独特形态的软聚合物材料。
“具体来说，我们创造了我们称之为树突状胶体 (dendricolloids) 的聚合物结构——它们始于微观尺度，但以一种分层的方式相互分支，以创建一个纳米纤维网络，” 北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程杰出教授、共同通讯作者奥林·维列夫 (Orlin Velev) 表示。“这种形态创造了一种具有高表面积的结构，这使我们能够在纳米纤维之间沉积 DNA，同时又不牺牲使 DNA 成为数据存储首选的数据密度。”
“你可以在大小如同铅笔擦的DNA存储器中储存相当于一千台笔记本电脑的数据，”康说。
创新功能及实际应用
“能够从纳米纤维上区分出DNA信息的能力使我们能够执行许多与电子设备相同的功能，”该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学前博士生凯文·林说。“我们可以直接从材料表面复制DNA信息而不会损坏DNA。我们还可以删除目标DNA片段，然后重写相同的表面，就像在硬盘上删除和重写信息一样。这基本上使我们能够执行全方位的DNA数据存储和计算功能。此外，我们还发现，当我们将DNA沉积在树枝状胶体材料上时，该材料有助于保存DNA。”
“你可以说邝的团队提供的相当于微电路，而我的团队创造的树突胶体材料则提供了电路板，”维列夫说。“我们的北卡罗来纳州立大学合作者阿德里亚娜·圣米格尔帮助我们将材料整合到微流体通道中，这些通道引导核酸和试剂的流动，使我们能够移动数据和启动计算命令。约翰霍普金斯大学的温斯顿·蒂姆普的实验室在纳米孔测序方面贡献了他们的专业知识，这有助于我们在从材料表面DNA复制RNA后直接读取数据。同样位于北卡罗来纳州立大学的詹姆斯·塔克的实验室开发了算法，使我们能够在控制潜在错误的同时，将数据转换为核酸序列，反之亦然。”
未来前景与影响
研究人员已经证明，他们称之为“原始DNA存储和计算引擎”的新型数据存储和计算技术能够解决简单的数独和国际象棋问题。测试表明，它可以在商业可用空间中安全地存储数据数千年，而不会降低存储信息的DNA的质量。
“此外，树状胶体主体材料本身成本相对较低且易于制造，”韦列夫说道。
“人们对分子数据存储和计算感到非常兴奋，但这一领域究竟有多实用一直是个大问题，”郑庆生说。“我们回顾了计算机的历史，以及ENIAC的发明如何激发了该领域的发展。我们想要开发一些能够激发分子计算领域灵感的东西。我们希望我们所做的正是朝着这个方向迈出的一步。”
参考文献：“原始DNA存储和计算引擎”，2024年8月22日，《自然·纳米技术》。DOI: 10.1038/s41565-024-01771-6
这篇论文由北卡罗来纳州立大学前博士生凯文·沃尔克尔和安德鲁·克拉克、北卡罗来纳州立大学博士生赛勒斯·曹和雷切尔·波拉克、北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程副教授阿德里安娜·圣米格尔、北卡罗来纳州立大学电气与计算机工程教授詹姆斯·塔克、约翰霍普金斯大学生物医学工程副教授温斯顿·蒂姆普以及约翰霍普金斯大学博士后研究员保罗·胡克共同撰写。
这项工作得到了美国国家科学基金会在2027655号和1901324号赠款的支持。
景（Keung）和塔克（Tuck）是DNAli数据科技公司的联合创始人，因此他们可能有兴趣翻译和商业化基于DNA的信息系统。景、沃尔克尔（Volkel）、塔克和林（Lin）是专利申请WO 2020/096679的发明人，该专利已授权给DNAli数据科技公司，而本论文的一些工作正是由此衍生而来。
