據(jù)外媒報(bào)道，我們的遺傳密碼在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方面的效率比現(xiàn)有的解決方案高幾百萬(wàn)倍,，而現(xiàn)有的解決方案成本非常高且使用大量的能源和空間,。事實(shí)上，我們可以擺脫硬盤,，在幾百磅的DNA中儲(chǔ)存地球上所有的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),。

使用DNA作為高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)有可能在生物傳感和生物記錄技術(shù)及下一代數(shù)字存儲(chǔ)方面取得突破，但研究人員一直未能克服低效率這一障礙,。一旦能夠克服,，該技術(shù)就能得到擴(kuò)展。

現(xiàn)在,，來(lái)自西北大學(xué)的研究人員提出了一種向DNA記錄信息的新方法,，這種方法只需幾分鐘而不是幾小時(shí)或幾天就能完成。該團(tuán)隊(duì)使用了一種新型的酶系統(tǒng)來(lái)合成DNA從而將快速變化的環(huán)境信號(hào)直接記錄到DNA序列中,。該論文的資深作者指出,，這種方法可以改變科學(xué)家研究和記錄大腦內(nèi)部神經(jīng)元的方式。

這項(xiàng)名為《Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis》的研究于2021年9月30日發(fā)表在《Journal of the American Chemical Society》上,。論文的資深作者,、西北工程學(xué)院的Keith E.J. Tyo指出，他的實(shí)驗(yàn)室對(duì)利用DNA的自然能力來(lái)創(chuàng)造一種新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案非常感興趣,。

論文的資深作者,、西北工程學(xué)院教授Keith E.J. Tyo表示，他的實(shí)驗(yàn)室對(duì)利用DNA的自然能力來(lái)創(chuàng)造一種新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案感興趣,?！按笞匀簧瞄L(zhǎng)復(fù)制DNA，但我們真的希望能夠從頭開(kāi)始寫DNA,。體外（身體外）的方法涉及緩慢的化學(xué)合成,。我們的方法寫入信息要便宜得多，因?yàn)楹铣蒁NA的酶可以直接被操縱,。最先進(jìn)的細(xì)胞內(nèi)記錄甚至更慢,，因?yàn)樗鼈冃枰憫?yīng)信號(hào)的蛋白質(zhì)表達(dá)的機(jī)械步驟，而我們的酶都是提前表達(dá)的且可以連續(xù)存儲(chǔ)信息,?！?/p>

Tyo是麥考密克工程學(xué)院化學(xué)和生物工程教授,、是合成生物學(xué)中心(Center for Synthetic Biology)的成員，他在研究微生物及其感知環(huán)境變化并迅速做出反應(yīng)的機(jī)制,。

繞過(guò)蛋白質(zhì)的表達(dá)

現(xiàn)有的將細(xì)胞內(nèi)分子和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)記錄到DNA的方法依賴于將新數(shù)據(jù)添加到現(xiàn)有DNA序列的多部分過(guò)程,。為了產(chǎn)生準(zhǔn)確的記錄，研究人員必須刺激和抑制特定蛋白質(zhì)的表達(dá),，這可能需要超過(guò)10小時(shí)才能完成,。

Tyo實(shí)驗(yàn)室假設(shè)他們可以使用一種新方法--他們稱之為使用Tdt進(jìn)行局部環(huán)境信號(hào)的時(shí)間敏感非模板化記錄（Time-sensitive Untemplated Recording，簡(jiǎn)稱TURTLES）來(lái)合成全新的DNA,，而不是復(fù)制它的模板,，從而做出更快和更高分辨率的記錄。

當(dāng)DNA聚合酶繼續(xù)添加堿基時(shí),，數(shù)據(jù)以分鐘為單位被記錄到遺傳密碼中，因?yàn)榄h(huán)境的變化影響了它所合成的DNA的組成,。環(huán)境的變化如金屬濃度的變化,，被聚合酶記錄下來(lái)作為“分子滴答帶”并向科學(xué)家指出環(huán)境變化的時(shí)間。使用生物傳感器來(lái)記錄DNA的變化代表了證明TURTLES在細(xì)胞內(nèi)使用的可行性的重要一步,，另外還可能使研究人員有能力使用記錄的DNA來(lái)了解神經(jīng)元如何相互溝通,。

論文共同第一作者、Tyo實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Namita Bhan指出：“這是一個(gè)非常令人興奮的概念證明,，有朝一日可以讓我們同時(shí)研究數(shù)百萬(wàn)個(gè)細(xì)胞之間的相互作用,。我不認(rèn)為以前有任何直接的酶調(diào)制記錄系統(tǒng)的報(bào)道?！?/p>

從腦細(xì)胞到被污染的水

隨著可擴(kuò)展性和準(zhǔn)確性的更大潛力,，TURTLES可以提供工具的基礎(chǔ)以推動(dòng)大腦研究向前發(fā)展。據(jù)論文共同第一作者,、Tyo實(shí)驗(yàn)室的研究生Alec Callisto介紹稱,，研究人員只能用今天的技術(shù)研究大腦神經(jīng)元的一小部分，即使如此,，他們對(duì)自己的了解也是有限的,。通過(guò)在大腦的所有細(xì)胞內(nèi)放置記錄器，科學(xué)家可以以單細(xì)胞的分辨率繪制許多神經(jīng)元對(duì)刺激的反應(yīng),。

“如果你看看目前的技術(shù)是如何隨著時(shí)間的推移而擴(kuò)展的,，我們甚至可以在幾十年后用現(xiàn)有技術(shù)同時(shí)記錄整個(gè)蟑螂的大腦--更不用說(shuō)人類大腦中的數(shù)百億個(gè)神經(jīng)元了，”Callisto說(shuō)道,，“因此,，這是我們真正想要加速的事情?！?/p>

在身體之外,，TURTLES系統(tǒng)還可用于各種解決方案以解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求的爆炸性增長(zhǎng)（等到2025年將達(dá)175兆字節(jié)）,。

它特別適合于長(zhǎng)期的檔案數(shù)據(jù)應(yīng)用如存儲(chǔ)閉路安全錄像，該團(tuán)隊(duì)將其稱為“只寫一次,，永不讀取”的數(shù)據(jù),，但需要在事件發(fā)生時(shí)能夠獲取。有了工程師們開(kāi)發(fā)的技術(shù),，保存著多年來(lái)心愛(ài)的攝像機(jī)記憶的硬盤和磁盤驅(qū)動(dòng)器也可以被DNA位所取代,。

在存儲(chǔ)之外，“滴答帶”的功能還可以被用作生物傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境污染物,，如飲用水中的重金屬濃度,。

雖然實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)是超越數(shù)字和細(xì)胞記錄的概念證明，但該團(tuán)隊(duì)表示希望更多的工程師對(duì)這一概念感興趣并能用它來(lái)記錄對(duì)其研究很重要的信號(hào),。

“我們?nèi)栽诮⒔∪?xì)胞內(nèi)記錄所需的基因組基礎(chǔ)設(shè)施和細(xì)胞技術(shù),，”Tyo說(shuō)道，“這是實(shí)現(xiàn)我們長(zhǎng)期目標(biāo)的一個(gè)步驟,?！?/p>