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2023-01-31
天大合成生物學(xué)團(tuán)隊(duì)完成十幅敦煌壁畫DNA存儲
更新時間：2022-09-16 21:14:11作者：智慧百科
天津大學(xué)新聞網(wǎng)9月15日消息，隨著時間的推移，人類歷史文化遺產(chǎn)面臨著不可避免的老化和破損，如敦煌壁畫等。為了讓我們子孫后代都能欣賞到這一壯美的歷史畫卷，天津大學(xué)合成生物學(xué)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新DNA存儲算法，將上述十幅敦煌壁畫存入DNA中，通過加速老化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證壁畫信息可在實(shí)驗(yàn)室常溫下可保存千年，在9.4°C下可保存兩萬年。
圖1 DNA存儲的敦煌壁畫
圖2 DNA存儲技術(shù)概念圖
團(tuán)隊(duì)通過DNA合成技術(shù)結(jié)合糾錯編碼將壁畫信息寫入到DNA中實(shí)現(xiàn)了高密度（295 PB/g，1 PB = 1024 TB）的數(shù)據(jù)存儲。然而，DNA作為一種鏈?zhǔn)缴锎蠓肿?，在體外常溫保存時面臨DNA斷裂降解等風(fēng)險，嚴(yán)重影響信息存儲的長期可靠性，是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
圖3 基于德布萊英圖圖論設(shè)計(jì)的序列重建算法高效解決DNA斷裂、降解問題
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6.8 MB敦煌壁畫，合成了承載圖片信息的DNA片段21萬條。為數(shù)據(jù)的長期可靠性，團(tuán)隊(duì)制備了一個沒有任何特殊保護(hù)的DNA水溶液樣本，并在70°C下加速樣本斷裂、降解長達(dá)十周。處理后的DNA片段80%以上都發(fā)生了斷裂錯誤，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°C一千年或者9.4°C長達(dá)兩萬年的自然保存。
該算法支持DNA分子成為世界上最可靠的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)之一。這項(xiàng)技術(shù)為我們長期保存人類歷史文化遺產(chǎn)提供了一個潛在的數(shù)字化解決方案。相關(guān)成果以“Robust data storage in DNA by de Bruijn graph-based de novo strand assembly”為題在線發(fā)表于Nature Communications雜志。
這是繼基于人工合成染色體的酵母體內(nèi)信息存儲模式取得突破后(Chen et al., National Science Review, 2021, 8, 5, nwab028），天津大學(xué)合成生物學(xué)團(tuán)隊(duì)在DNA信息體外存儲模式上又取得一項(xiàng)重要突破。