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一文读懂丨酶促DNA合成在DNA存储的应用
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天津中合基因科技有限公司与厦门大学、嘉庚创新实验室及中国科学院天津工业生物技术研究所的研究团队合作，在著名国际期刊美国科学院院报《PNAS》上发表了题为《DNA-DISK: automated end-to-end data storage via enzymatic single-nucleotide DNA synthesis and sequencing on digital microfluidics》的文章。该项研究开发了一种基于酶促DNA生物合成技术的从信息写入到读取的端到端自动化DNA数据存储平台——DNA-DISK，展现了酶促DNA合成在DNA存储领域的巨大应用潜力。 数据是现代社会发展的重要生产资料，是数字经济的最重要支撑。根据国际数据公司的预测，全球数据量爆发式增长，到2025年将达到175 ZB，而2020年全球数据量仅为44 ZB。传统的磁存储、光存储和固态存储技术已经难以满足日益增长的存储需求。DNA作为一种存储介质，以其超高的存储密度、超长的保存时间和极低的能耗而备受关注。然而，DNA数据存储技术在实际应用中一直面临着“写入”环节片段短、耗时长、成本高昂、难以小型化等难题的瓶颈问题，基于酶促合成的DNA-DISK给这些问题的解决带来了可能，进一步推动了DNA存储的应用。 本研究采用中合基因自主开发的酶促DNA生物合成技术，进行两步循环酶促合成，通过在磁珠（MBs）上固定寡核苷酸并逐个添加3'-ONH2-dNTPs来实现单核苷酸的精确写入。为了确保序列的特异性，引入了加帽步骤，使用ddNTPs封堵未反应的3'-OH基团，防止非特异性延伸。最后，合成的DNA通过琼脂糖封装在芯片上，以实现数据固定存储、防止DNA降解。相比当前主流的化学亚磷酰胺法DNA合成技术，酶促DNA合成技术在DNA“写入”长度、时间、成本方面均有巨大的挖掘潜力，尤其是其安全环保、易于小型化的特性，为本项目中DNA-DISK平台的顺利开发奠定了基础。 DNA-DISK平台 基于酶促DNA生物合成技术，研发团队整合了热响应琼脂糖封装、焦磷酸测序、数字液滴微流控（DMF）等技术，成功开发了桌面式自动化DNA数据存储平台DNA-DISK，实现了从数据编写到读取的一体化功能。 该平台由数字微流控（DMF）芯片和集成装置组成。DMF芯片由两层玻璃板组成，中间用聚氯乙烯胶带隔开并密封。集成装置具备磁控和区域温度调节功能，支持信息的自动书写、存储与读取，通过微型光电倍增管（PMT）模块实现测序信号的高灵敏度检测。此外，该平台还实现了磁性珠液滴的精确控制，实现8通道多路复用（8-plex multiplexing），包括分离、混合等操作。 应用实例 研究团队基于上述技术路线及装备平台，将两个文本文件及一段《茉莉花》乐谱成功存储入DNA，并顺利读取。其中，乐谱文件被转化为8个不同的DNA寡核苷酸序列，在这8个DNA寡核苷酸序列中，共数字化存储了约228比特的信息，这意味着每个寡核苷酸的逻辑密度达到28.53比特。8个寡核苷酸的平均分步产量保持在较高水平（97.67%），观察到的结果与合成序列完全吻合，说明所开发平台的高保真和高准确性。 小结 与传统的亚磷酰胺化学方法相比，酶促DNA生物合成技术减少了所需的试剂种类和步骤数量，缩短了合成时间；消除了对有机溶剂和有毒废物的依赖；取消了对手套箱条件（如无水溶剂、干燥环境、气密性和惰性气体）的要求，从而大大降低了设备建设和维护的成本、提升了DNA合成的可操作性。 此外，利用中合基因的专利技术，基于ZaTdT的酶促DNA合成替代野生型TdT，实现了对正在增长的寡核苷酸链中的单核苷酸延伸过程的精准控制，这显著提升了信息写入的准确性、编码规则的灵活性以及数据存储容量（达到 28.53 位/寡核苷酸）。 “酶促DNA生物合成技术的优势，将为DNA合成领域带来革命性的变化。DNA合成技术的革新也将推动生物制造、生物医药等生命科学产业关键领域及DNA存储领域、DNA纳米材料等新应用场景的大发展。DNA-DISK平台整合酶促DNA生物合成技术及自动化数字液滴微流控技术（DMF）在自动化、小型化DNA数据存储领域展现出显著的优势。这不仅为DNA数据存储技术的发展提供了新的方向，也为未来DNA硬盘驱动器的实现奠定了基础。随着酶促DNA生物合成技术的不断进步和优化，预计DNA-DISK平台将实现更高的存储容量和密度，有望超越现有的存储介质，引领数据存储技术的未来。” |
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