撰文 | 十一月
責編 | 兮
自磁帶以及硬碟之後，DNA因具有良好的存儲性能以及較長的半衰期，其作為存儲介質的功能被科學家「瞄」上了【1】。
2019年12月9日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院化學與應用生物科學系功能材料實驗室Robert N. Grass以及以色列埃里希實驗室Yaniv Erlich聯合在Nature Biotehchnology雜誌上發表了題為A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory的文章，設計了「DNA-of-things」(DoT)作為存儲介質來存儲數據，在DoT的工作框架中使用DNA進行數據存儲的嘗試，將DNA封存進納米二氧化矽珠，並進行3D列印製造成「斯坦福兔子」以及嘗試將視頻信息壓制進眼鏡片之中，為DNA作為存儲介質提供了新的可能性。
在數據指數級爆炸的今天，新型的存儲介質的尋找已經成為剛需之一【2】。科學家們一直試圖縮小存儲介質比如硬碟或者磁帶的存儲結構，但是非常困難，這些硬體已經達到了他們的物理極限，很難進行進一步地集成和縮小。由於這些挑戰的存在，DNA分子作為長期存儲的介質的潛力則逐漸凸顯出來。已有研究發現，每克DNA的數據存儲量能夠達到215PB，相約為2,2544,3840千兆字節（GB），相當於22萬個1TB硬碟的數據存儲量【1,2】。而且DNA作為存儲介質，儲存的半衰期可以達到數千年之久【3,4】。更進一步地，DNA作為存儲介質可以不受形態的影響，可以將DNA製造成所需要的各種形狀。
為了使用DoT框架製造存儲介質，首先，作者們使用DNA Fountain【2】作為編碼方案。這種方案提供了很高的靈活性，可以糾正信號丟失的錯誤，並已被證明能夠完美地用於檢索分鐘級別數據的材料【2】。為了防止簡單地將DNA與功能材料混合在一起由於水解壓力和在製備混合物過程中升高的溫度導致的DNA快速降解，作者們將DoT結構放進了二氧化矽納米珠之中【5】，製成silica particle-encapsulated DNA 簡稱SPED。將SPED與其他的材料混合併使用3D列印技術或者其他的鑄件技術構建出想要的形狀（圖1）。
在構建完成之後，作者們通過從SPED珠中恢復的DNA進行測序，50μL體積中25pg的DNA種包括5.4x冗餘數據中進行讀取信息，儘管原始的數據丟失了約5.9%，但是使用標準的計算機整個過程也不過只需要幾分鐘。
除此之外，作者們還想要檢驗是否能夠用此技術進行數據封存，因此將DoT的DNA封存進了眼鏡片中（圖2）。儘管DNA吸收較短波長，但是普通的有機玻璃也能夠阻擋紫外線，因此DNA的存在不會被暴露出來，可以秘密的存儲視頻信息進入鏡片之中而不被發現。
眼鏡片這種存儲讓作者們腦洞大開，作者們認為可以將電子醫療記錄用此方式進行存儲，因為只需要保存5-10年，也可以用於製藥行業以及電子元件行業。雖然最初的元件造價較高，但是後續進行複製的成本幾乎可以忽略不計。另外，DoT結構的另外一個優點就是可以用於信息加密，前人的研究發現可以將信息存入DNA並製作成為小微粒【6】。DoT架構擴展了這一概念，並使得從鑰匙鏈到瓶蓋等各種日常物品都可以變成能夠秘密傳輸數據的隱藏存儲設備。試圖攔截數據的對手將面臨多重障礙:首先，SPED珠子不會改變材料的屬性，這意味著對手將不得不測試多個可能的介質來揭示隱藏的信息。其次，DNA在SPED中被隔離，所以普通的DNA檢測技術，比如紫外線是沒有辦法發現的。第三，即使文庫被恢復，對手也必須知道退火溫度和位點，才能通過PCR擴增信息。
綜上所述，這些性質表明DoT對惡意攔截具有很強的抵抗力，但是需要更多的研究去補充和優化這一功能。DNA作為大容量存儲介質的一天可能即將來臨。
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41587-019-0356-z
製版人：小嫻子
參考文獻
1. Church, G.M., Gao, Y. & Kosuri, S. Next-generation digital information storage inDNA. Science 337, 1628, doi:10.1126/science.1226355 (2012).
2. Erlich,Y. & Zielinski, D. DNA Fountain enables a robust and efficient storagearchitecture. Science 355, 950-954,doi:10.1126/science.aaj2038 (2017).
3. Grass,R. N., Heckel, R., Puddu, M., Paunescu, D. & Stark, W. J. Robust chemicalpreservation of digital information on DNA in silica with error-correctingcodes. Angewandte Chemie 54, 2552-2555,doi:10.1002/anie.201411378 (2015).
4. Zhirnov,V., Zadegan, R. M., Sandhu, G. S., Church, G. M. & Hughes, W. L. Nucleicacid memory.Nature materials 15, 366-370, doi:10.1038/nmat4594(2016).
5. Paunescu,D., Puddu, M., Soellner, J. O., Stoessel, P. R. & Grass, R. N. ReversibleDNA encapsulation in silica to produce ROS-resistant and heat-resistantsynthetic DNA 'fossils'. Nature protocols8, 2440-2448,doi:10.1038/nprot.2013.154 (2013).
6. Clelland,C. T., Risca, V. & Bancroft, C. Hiding messages in DNA microdots. Nature 399, 533-534, doi:10.1038/21092 (1999).