捕捉微观 DNA 在数据存储方面的巨大潜力

世界首创的“生物相机”绕过了当前 DNA 存储方法的限制，利用活细胞及其固有的生物机制来编码和存储数据。这代表了直接在 DNA 中编码和存储图像的重大突破，创建了一种类似于数码相机的信息存储新模型。

由新加坡国立大学设计与工程学院首席研究员 Chueh Loo Poh 副教授和新加坡国立大学临床与技术创新合成生物学 (SynCTI) 领导的团队的研究结果可能会改变数据存储行业，于 2023 年 7 月 3 日发表在《自然通讯》上。

解决全球数据过载的新范例

随着世界继续以前所未有的速度生成数据，数据已被视为 21 世纪的“货币”。2018 年估计为 33 ZB，预计到 2025 年全球数据圈将达到 175 ZB。这引发了人们对存储替代方案的追求，这种替代方案可以超越传统数据存储的限制，并解决资源密集型数据对环境的影响数据中心。

直到最近，使用 DNA 存储其他类型信息(例如图像和视频)的想法才引起人们的关注。这是由于 DNA 卓越的存储容量、稳定性以及作为信息存储媒介的长期相关性。

“我们正面临着迫在眉睫的数据超载。DNA 是地球上所有生物的关键生物材料，它存储编码一系列负责各种生命功能的蛋白质的遗传信息。从长远来看，一克 DNA 可以容纳超过 215,000 TB 的数据，相当于存储 4500 万张 DVD 的总和。”Poh 说道。

与 Poh 一起工作的研究生 Cheng Kai Lim 说： “DNA 也很容易用当前的分子生物学工具进行操作，可以在室温下以各种形式储存，而且非常耐用，可以持续几个世纪。”

尽管潜力巨大，但目前 DNA 存储的研究重点是在细胞外合成 DNA 链。这个过程成本高昂，并且依赖于复杂的仪器，而且也容易出错。

为了克服这一瓶颈，Poh 和他的团队转向活细胞，其中含有丰富的 DNA，可以充当“数据库”，从而避免了从外部合成遗传物质的需要。

通过纯粹的独创性和巧妙的工程设计，该团队开发了“BacCam”——一种新颖的系统，融合了各种生物和数字技术，使用生物组件模拟数码相机的功能。

“将细胞内的 DNA 想象成未冲洗的胶片，”Poh 解释道。“利用光遗传学——一种类似于相机快门机制的光控制细胞活动的技术，我们成功地将光信号印到 DNA‘胶片’上来捕捉‘图像’。”

接下来，研究人员使用类似于照片标记的条形码技术标记捕获的图像以进行唯一识别。采用机器学习算法来组织、排序和重建存储的图像。它们构成了“生物相机”，反映了数码相机的数据捕获、存储和检索过程。

该研究展示了相机使用不同光色同时捕捉和存储多个图像的能力。更重要的是，与早期的 DNA 数据存储方法相比，该团队的创新系统易于复制和扩展。

Poh 表示：“随着我们突破 DNA 数据存储的界限，人们对桥接生物和数字系统之间的接口越来越感兴趣。”

“我们的方法代表了生物系统与数字设备集成的一个重要里程碑。通过利用 DNA 和光遗传学电路的力量，我们创造了第一台‘活体数码相机’，它为 DNA 数据存储提供了一种经济高效的方法。我们的工作不仅探索DNA数据存储的进一步应用，还将现有的数据捕获技术重新设计成生物框架。我们希望这将为信息记录和存储方面的持续创新奠定基础。”

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