創(chuàng)新DNA存儲(chǔ)算法 讓敦煌壁畫再“活”兩萬年

　　◎本報(bào)記者 陳 曦 通訊員 趙 暉

　　記者9月16日從天津大學(xué)獲悉，該校合成生物學(xué)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新DNA存儲(chǔ)算法，將10幅精選敦煌壁畫存入DNA中，通過加速老化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，壁畫信息在實(shí)驗(yàn)室常溫下可保存千年，在9.4℃下可保存兩萬年。該算法支持DNA分子成為世界上最可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)之一，可以讓面臨老化破損危機(jī)的人類文化遺產(chǎn)信息保存千年萬年。該成果近日發(fā)表于國際期刊《自然·通訊》上。

　　人類文明的發(fā)展與存儲(chǔ)技術(shù)密切相關(guān)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式不斷迭代創(chuàng)新。中國科學(xué)院院士、天津大學(xué)元英進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)一直致力于下一代存儲(chǔ)技術(shù)——DNA存儲(chǔ)的研發(fā)。

　　“據(jù)國際數(shù)據(jù)公司估計(jì)，到2025年全球數(shù)據(jù)總量將達(dá)到驚人的175ZB(1ZB約為1021字節(jié))。全世界都在建數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心的能耗是驚人的。DNA存儲(chǔ)由于其高存儲(chǔ)密度與低能耗處理等特點(diǎn)，被視為一種極具潛力的存儲(chǔ)技術(shù)，成為應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)增長挑戰(zhàn)的新機(jī)遇。”元英進(jìn)說。

　　2021年8月，元英進(jìn)團(tuán)隊(duì)取得DNA存儲(chǔ)研究的重大突破。該團(tuán)隊(duì)從頭編碼設(shè)計(jì)合成了一條長度為254886堿基對(duì)、專用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的酵母人工染色體，將兩張經(jīng)典圖片和一段視頻存儲(chǔ)于人造染色體中，利用酵母繁殖實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)穩(wěn)定復(fù)制，并用納米孔測(cè)序器件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)快速讀出與無錯(cuò)恢復(fù)。

　　DNA存儲(chǔ)高效低耗，但作為一種鏈?zhǔn)缴�物大分子，在體外常溫保存時(shí)會(huì)面臨DNA斷裂降解等風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響信息存儲(chǔ)的長期可靠性，是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。對(duì)此，元英進(jìn)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于德布萊英圖理論的序列重建算法來解決DNA斷裂等問題。該算法結(jié)合貪婪路徑搜索和循環(huán)冗余校驗(yàn)碼來實(shí)現(xiàn)斷裂DNA片段的高效從頭組裝，從原理上支持了DNA存儲(chǔ)的長期可靠性。

　　結(jié)合該序列重建算法(內(nèi)碼)與噴泉碼算法(外碼)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)編碼了6.8MB(兆字節(jié))敦煌壁畫，合成了承載圖片信息的DNA片段21萬條。為保證數(shù)據(jù)的長期可靠性，團(tuán)隊(duì)制備了一個(gè)沒有任何特殊保護(hù)的DNA水溶液樣本，并在70℃下加速樣本斷裂、降解長達(dá)10周。處理后的DNA片段80%以上都發(fā)生了斷裂錯(cuò)誤，依靠設(shè)計(jì)的序列重建算法依然可以準(zhǔn)確組裝并解碼96.4%以上的片段，再通過噴泉碼解決少量片段丟失的問題，原始的敦煌壁畫圖片依然能夠完美恢復(fù)。根據(jù)理論推算，這種程度的高溫破壞相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)室常溫25℃一千年或者9.4℃兩萬年的自然保存。

　　這是繼基于人工合成染色體的酵母體內(nèi)信息存儲(chǔ)模式取得突破后，天津大學(xué)合成生物學(xué)團(tuán)隊(duì)在DNA信息體外存儲(chǔ)模式上取得的又一重要成果。