DNA存储技术

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1、引言
随着当代信息技术的飞速发展，数据信息的含量呈指数级增长。

目前全球数据信息总量为3.52×1022
bits ，按照其一贯的指数增长速度，预计到2040年将达到3×1024
bits, 这种增长趋势将很快超越现有存储介质的承受能力[1]。

现阶段人们使用的存储方式主要包括磁性存储器（例如磁带或硬盘驱动器）、光学存储器（例如蓝光存储器）和固态存储器（例如闪存），这些存储体系的弊端已逐渐暴露，包括有效存储时间短、数据易受环境影响丢失缺损、生产设备能耗高以及污染环境等[2-5]。

因此寻求一种新的数据存储技术是目前亟需解决的问题。

脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA ）是一种天然的信息存储介质，由于其对世界上几乎所有生物有机体的海量遗传信息具有超常的安全存储能力而受到人们的关注。

作为已知最密集、稳定的数据存储介质，DNA 具有存储密度高、存储时间长、并行存取性好、兼容性强等特点[6]。

此外，DNA 与信息存储有很多相似之处：1、均能按照一定的顺序对存储信息进行编码；2、信息段的起始与终止点均可用符号进行标注；3、为了保证信息的完整性均可引入纠错码。

基于以上特点，DNA 数据存储技术应运而生。

DNA 数据存储技术是生物技术与信息处理技术共同发展的成果，开辟了一种新的存储模式，其发展对于节省存储资源及推进大数据存储将起到重要作用。

近几年来，随着微软、哥伦比亚大学、华盛顿大学、哈佛大学、欧洲生物信息学研究所、英国剑桥顾问公司等众多科研机构、公司的加入，DNA 信息存储领域正取得飞速发展[7]。

2012年，哈佛大学的Church 等[8]在DNA 中存储了650 KB 的数据，在DNA 信息存储领域迈进了一大步，2017年该团队又将内存更大的视频文件存入大肠杆菌的DNA 中；2013年1月欧洲生物信息研究所的Nick Goldman 及其团队在DNA 中实现了20 MB 数据可行、高容量的存储，这是DNA 数据存
储领域的另一个里程碑[9]；2016年，微软研究院和华盛顿大学联合将200 MB 数据存入DNA [10]，并计划于2020年在数据中心建立基于DNA 的数据存储系统；2017年科学家们从哥伦比亚大学基因组中心开发了一种高度可靠的DNA 喷泉存储机制，这种方法可将2.15亿千兆的数据存入仅1 g 的DNA 中
[11]
；同年Shipman 等人成功利用CRISPR Cas 系统在
DNA 中存储信息，并将像素值编码到一个活细菌种群的基因组中[12]；2018年，Catalog 与英国剑桥顾问公司联合开发了一台DNA 信息存储机器，计划未来将文档或者电影信息通过这一机器进行长期保存，并推出基于DNA 信息存储的商业化服务[13]。

国内对该领域的研究尚处于起步阶段，目前东南大学、华中科技大学、天津大学和国防科技大学等均有研究团队在进行相关研究。

我国对DNA 数据存储系统研究的重点支持也在逐步开展，2018年度“合成生物学”重点专项将DNA 数据存储技术作为其中一个子项。

2019年华为战略研究院投入巨资用于DNA 存储，以便突破数据存储容量极限。

本文将以DNA 信息存储为主线，介绍了DNA 基本理论及信息存储框架，重点描述了编码写入和数据存储两个流程，最后对现阶段DNA 存储的技术进行了分析总结并讨论了目前该领域存在及亟需解决的主要问题。

2、DNA数据存储框架
DNA 是通过A （腺嘌呤）、T （胸腺嘧啶）、G （鸟嘌呤）、C （胞嘧啶）4种脱氧核糖核苷酸连接形成的长链分子。

A 与T ，G 与C 之间配对能够形成稳定的双链结构，而这种配对形式可用于以二进制代码的形式存储信息。

图1为一条DNA 双链的结构模型。

DNA 具有非常高的存储密度：455 EB 的数据可以编码存储在大约1克的单链DNA 中
[14]。

如果能够成功地利用DNA 来存储数据，那么
目前全世界在一年时间内产生的全部信息可以储存在仅仅4克的DNA 中，而大约1千克的DNA 就足以满足2040年全球的存储需求（3×1024 bits ）[15]。

图1 DNA模型. Fig.1 Model of DNA.
基于DNA的存储还具有关于永恒的优势：只要存在基于DNA的生命，就会有充分的理由来读取和操作DNA。

即使经历数千年自然环境的考
DNA存储设备对信息进行保存及读取的整体流程如图2所示，主要框架包括3部分：编码写入、数据存放及解码读取。

首先通过计算机算法将二进制数据映射成碱基序列，然后合成特定序列的DNA以完成编码的写入；随后可采取一定方式对DNA进行保存；最后利用PCR扩增来实现对
图2 DNA存储流程图.
Fig.2 Flowchart of DNA storage.
3、DNA信息的编码写入
3.1 DNA编码
DNA信息的编码写入部分主要由DNA
DNA的合成构成。

DNA编码即通过一定的映
图3 DNA编码流程.
Fig.3 Flowchart of DNA coding.
3.1.1 压缩
6唯一，可以产生=24
制的编码方式理论上具备最强的存储能力，但这种转换模型在合成DNA
图4 DNA合成流程图.
Fig.4 Flowchart of DNA synthesis.
4、DNA链保存
DNA之所以能够在数据存储上成为研究热点，一个重要的原因在于它在所有已知的信息存储方式中储存时间是最长久的。

然而，与传统的存储方式（基于磁性和/或光学的方法）相比，核酸信息的储存稳定性仍然是一个重要问题。

未受保护的核酸容易水解（脱嘌呤和去嘧啶）、氧化（由重金属离子介导的自由基的形成）和烷基化。

因此核酸信息想要进行长久地存储与传播就需要人工的保护。

传统的储存方法是利用干燥低温环境对核酸干粉进行保存，近期也发展出来了多种更加高效的核酸保存方法[40-43]。

4.1 干粉法
干粉法顾名思义就是将DNA通过冷冻、干燥制成干粉进行保存的方法。

Sharon等[44]通过
8
活，通过电折射现象在一组电极上移，从而对斑点DNA 进行补水提取，如图5C
所示。

图5 （A）储存DNA干粉的玻璃板；（B）用于DNA数据检索的DMF设备；（C）夹在玻璃盒和电极之间的水滴被激活，
移动到斑点DNA下进行补水的照片[44].Fig.5 (A)Storing physically isolated spots of dehydrated DNA on glass cartridges;（B）DMF device for retrieving digital data（C）The photo of a water droplet sandwiched between the glass cartridges and electrodes is actuated to
move under the spotted DNA for rehydration [44].
此外，Burgoyne 等[40]发明了特制滤纸吸附DNA 从而提高DNA 干粉保存寿命的方法。

具体过程如下：步骤一、首先将纤维素试纸高压灭菌，然后用40 mM 的尿酸和100 mM 的三羟甲基氨基甲烷（Tris ）对纸质进行浸泡处理；步骤二、将DNA 加入含有十二烷基磺酸钠（SDS ）的稀碱性缓冲液中（Tris-EDTA ，pH 8.0）进行灭活；步骤三、将灭活后的样品滴入滤纸上，在室温下自然风干；步骤四、含有核酸的滤纸在-15 ℃的干燥环境下进行保存。

尿素可以有限接收自由基被转换为尿囊素，EDTA 能够有效地螯合钙、镁、铁等金属离子，SDS 可以结合和变性病原体表面或内部蛋白，从而达到保护核酸的目的。

这种纸基法能够在36个月的储存期间保护纯化的DNA 不被降解。

4.2 固定法
固定法就是将成百上千个DNA 片段固定在固相载体上进行DNA 保存的方法，其优势是可同时并行复制多种DNA 片段。

固相基底可以是生物的、非生物的、有机的、无机的，或它们的任何组合。

为了满足大样本的复制，可以使用生长有惰性氧化层的薄片如硅、玻璃、石英等为固相基底。

为了后续更加有效的连接，这些固相基底表面含有特征的物理分区，如沟槽、孔洞、井道或化学屏障（例如：疏水性涂层）等。

在固定核
酸之前，通常需要对固相基底表面进行硅烷化及多聚物处理，或者生长一层二氧化硅，以消除界面对PCR 复制的影响。

此外，微球包括琼脂糖小珠，聚丙烯酰胺小珠，乳胶小珠，磁珠等也可以作为固相基底 [45-47]。

核酸固定的方法多种多样，既包括基于弱相互作用力如静电组装的方法，还可以是强相互作用力如共价连接的方法[48]。

典型的核酸在固相基底上的固定方法有：1、将核酸的末端修饰上氨基，利用氨基与甲苯磺酰基或肼基的反应来固定核酸；2、核酸的末端磷酸化修饰，再通过磷酸基团与其他功能基团结合；3、核酸末端修饰生物素或链霉亲和素，通过生物素-链霉亲和素之间的配体-受体作用进行固定；4、核酸末端修饰炔基使其与相应的修饰有叠氮基团的微球反应进行固定[49-50]。

如图6所示，Robert [51]等在1.28 × 1.28 cm 的玻璃片上实现了300000条核酸的固定。

为了后续的保存及应用，在固定好核酸之后一般需要将未连接上的核酸进行反复洗脱分离。

为了简化操作，Van 等[52]通过在核酸末端修饰氨基，将核酸固定到修饰有甲苯磺酰基的聚丙烯微球表面，可通过离心的方式进行分离。

更进一步，Dressman 等[53]通过在核酸末端修饰链霉亲和素，将核酸固定到修饰有生物素的磁球表面，并
利用微球磁性实现了核酸的简便分离。

图6 玻璃板用于DNA的固定[51].
Fig.6 Glass slide for immobilizing DNA [51].
4.3封装法
古生物化石中的核酸能够被保存几十万年之久，这得益于化石中密集的扩散层（聚合萜烯或碳酸钙）能够将干燥的DNA 样本与环境、水和活性氧分开。

二氧化硅是一种具有高化学和热稳定性以及优异阻隔性能的材料，可以在室温下由四乙氧基硅烷（TEOS ）缩聚合成[54]。

通过将核酸封
装于二氧化硅内部可以模拟化石对核酸的保护，从而达到长久而稳定地保存核酸的目的[43]。

具体封装过程如图7所示：首先DNA通过静电作用吸附在亚微米级氨基化硅球表面，然后添加N-三甲氧基硅丙基- N，N，N-三甲氨基氯化铵（TMAPS）用来中和DNA剩多余的负电荷，并产生具有硅醇功能的表面，再以四乙氧基硅烷（TEOS）作为硅源在表面上生长一层薄的硅壳。

DNA封装在二氧化硅球的内部，致密的硅壳隔绝了外界环境破坏核酸的因素。

通过氢氟酸（HF）对硅球刻蚀，可将核酸释放出来进行信息的读取。

氢氟酸是一种弱酸（pKa=3.18），不会对DNA（pKa=4~4.5）造成损伤[55]。

Daniela等研究了二氧化硅保存的核酸在自由基侵入，高温及光照下的稳定性。

由于二氧化硅壳可以作为一个密闭的扩散屏障，能够很好地隔绝外界环境，因此在铜自由基的侵入和120 ℃
图7 二氧化硅封装保存DNA流程图[58].
Fig.7 Flowchart of DNA encapsulated in SiO25、细胞内DNA存储
除了体外存储，最近随着合成生物学的快速发展，细胞内DNA的数据收集和永久存储也成为可能[59]。

图8展示了将生物记忆或数字信息永久存储在DNA中的细胞系统[60]。

根据将数据写入细胞的机制（记录过程）或用于存储信息的生物分子（例如，DNA、RNA或蛋白质）分为两类[61]。

图8 在体内进行DNA数据存储的策略[61].
Fig.8 Strategies of DNA storage in vivo[61].
10
蛋白。

其中最受关注的是一种可编程的NDA 切割酶-Cas9蛋白[67]。

Cas9的表达可被置于特定输入的控制之下，并通过编程设计与自身的目标序列结合并剪切。

目标位置的每一轮切割和随后的修复都会导致序列独特的变化，如点突变、插入或删除，它们能够充当进化的条形码用来报告输入的大小和持续时间。

基于cas9的分子记录系统的优点在于能够随着时间的推移将非二进制范围的突变（条形码）写入到DNA 中[68]，比上述基于重组酶的系统具有更大的记录能力。

6、总结与展望
1988年，Graig Venter 研究所在DNA 中录入35名成员的名字首次完成了DNA 的信息存储。

但受当时信息编码及生物技术的局限，此项工作并未受到关注[21]。

随着科技的不断发展，生化技术的不断完善，也伴随着数据存储压力的与日俱增，越来越多的研究人员、机构等都纷纷将精力投入到DNA 信息存储中，致使这一领域得到了快速的发展[69-70]。

DNA 信息存储通过编码写入、数据存放和解码读取组成。

其中编码写入主要通过编码+纠错+地址+合成模式构成。

哈夫曼编码、RS 码及四进制转换模型凭借自身的优异性能已逐渐成为DNA 存储中的主流编码技术，而芯片、固相合成法也为DNA 快速、准确、低价合成提供了保障。

DNA 的长期存储关系到DNA 信息保存的稳定和持久性，通过二氧化硅封装DNA 能够模拟类似化石对核酸的保护，从而达到长久而稳定地保存核酸的目的，并且通过数据模拟计算保存期限可达数百万年之久。

随着DNA 测序方法的不断发展，解码读取成本已呈指数级下降。

纳米孔技术的发展让DNA 测序成本从2002年的218750元/兆降低至现在的80元/吉[71]。

此外，手持式单分子DNA 测序仪的发明使DNA 测序更简便[72]，DNA 存储工业化可期。

现阶段，DNA 信息存储工作主要集中在以下四个方面：1、编码方式，寻求更高效、更能与DNA 结构相匹配的编码方式，以此充分利用DNA
对信息的存储能力；2、纠错机制，DNA 信息无论是在写入、保存还是读取的过程都会造成信息的丢失或缺损，发展更加有效的纠错机制对于DNA 信息存储的高保真起到重要的作用；3、生物技术，DNA 信息存储是利用合成特定的DNA 链对数据进行保存，DNA 的准确、批量合成是关键。

4、随机存取，现阶段DNA 存储技术比较适用于需要长期、安全但无需频繁索取的信息，如一些医疗档案、法律文件等，为了进一步扩大DNA 信息存储的通用性，DNA 信息的随机存取能力还需不断提升。

DNA 数据存储技术凭借其各方面的优点得到了越来越多的关注和研究，虽然现阶段仍有很多技术难点需要攻破，但大量研究已经证明了DNA 存储技术无论是在存储能力、可扩展性还是稳定性上都远优于现有的存储技术。

相信随着生物技术及信息处理技术的更新发展，DNA 信息存储将会成为未来最有前景的信息存储技术之一。

此外，细胞内存储系统可以用作生物记录设备，适用于新数据的收集，并具有独特的安全性优势，也是一个需要密切关注的研究方向。

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