研究：DNA正在成为世界上最微小的硬盘

使用DNA作为高密度数据存储介质有可能在生物传感和生物记录技术及下一代数字存储方面取得突破，但研究人员一直未能克服低效率这一障碍。一旦能够克服，该技术就能得到扩展。

现在，来自西北大学的研究人员提出了一种向DNA记录信息的新方法，这种方法只需几分钟而不是几小时或几天就能完成。该团队使用了一种新型的酶系统来合成DNA从而将快速变化的环境信号直接记录到DNA序列中。该论文的资深作者指出，这种方法可以改变科学家研究和记录大脑内部神经元的方式。

这项名为《Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis》的研究于2021年9月30日发表在《Journal of the American Chemical Society》上。论文的资深作者、西北工程学院的Keith E.J. Tyo指出，他的实验室对利用DNA的自然能力来创造一种新的数据存储解决方案非常感兴趣。

论文的资深作者、西北工程学院教授Keith E.J. Tyo表示，他的实验室对利用DNA的自然能力来创造一种新的数据存储解决方案感兴趣。“大自然擅长复制DNA，但我们真的希望能够从头开始写DNA。体外（身体外）的方法涉及缓慢的化学合成。我们的方法写入信息要便宜得多，因为合成DNA的酶可以直接被操纵。最先进的细胞内记录甚至更慢，因为它们需要响应信号的蛋白质表达的机械步骤，而我们的酶都是提前表达的且可以连续存储信息。”

Tyo是麦考密克工程学院化学和生物工程教授、是合成生物学中心(Center for Synthetic Biology)的成员，他在研究微生物及其感知环境变化并迅速做出反应的机制。

绕过蛋白质的表达

现有的将细胞内分子和数字数据记录到DNA的方法依赖于将新数据添加到现有DNA序列的多部分过程。为了产生准确的记录，研究人员必须刺激和抑制特定蛋白质的表达，这可能需要超过10小时才能完成。

Tyo实验室假设他们可以使用一种新方法--他们称之为使用Tdt进行局部环境信号的时间敏感非模板化记录（Time-sensitive Untemplated Recording，简称TURTLES）来合成全新的DNA，而不是复制它的模板，从而做出更快和更高分辨率的记录。

当DNA聚合酶继续添加碱基时，数据以分钟为单位被记录到遗传密码中，因为环境的变化影响了它所合成的DNA的组成。环境的变化如金属浓度的变化，被聚合酶记录下来作为“分子滴答带”并向科学家指出环境变化的时间。使用生物传感器来记录DNA的变化代表了证明TURTLES在细胞内使用的可行性的重要一步，另外还可能使研究人员有能力使用记录的DNA来了解神经元如何相互沟通。

论文共同第一作者、Tyo实验室的博士后研究员Namita Bhan指出：“这是一个非常令人兴奋的概念证明，有朝一日可以让我们同时研究数百万个细胞之间的相互作用。我不认为以前有任何直接的酶调制记录系统的报道。”

从脑细胞到被污染的水

随着可扩展性和准确性的更大潜力，TURTLES可以提供工具的基础以推动大脑研究向前发展。据论文共同第一作者、Tyo实验室的研究生Alec Callisto介绍称，研究人员只能用今天的技术研究大脑神经元的一小部分，即使如此，他们对自己的了解也是有限的。通过在大脑的所有细胞内放置记录器，科学家可以以单细胞的分辨率绘制许多神经元对刺激的反应。

“如果你看看目前的技术是如何随着时间的推移而扩展的，我们甚至可以在几十年后用现有技术同时记录整个蟑螂的大脑--更不用说人类大脑中的数百亿个神经元了，”Callisto说道，“因此，这是我们真正想要加速的事情。”

在身体之外，TURTLES系统还可用于各种解决方案以解决数据存储需求的爆炸性增长（等到2025年将达175兆字节）。

它特别适合于长期的档案数据应用如存储闭路安全录像，该团队将其称为“只写一次，永不读取”的数据，但需要在事件发生时能够获取。有了工程师们开发的技术，保存着多年来心爱的摄像机记忆的硬盘和磁盘驱动器也可以被DNA位所取代。

在存储之外，“滴答带”的功能还可以被用作生物传感器来监测环境污染物，如饮用水中的重金属浓度。

虽然实验室的重点是超越数字和细胞记录的概念证明，但该团队表示希望更多的工程师对这一概念感兴趣并能用它来记录对其研究很重要的信号。

“我们仍在建立健全细胞内记录所需的基因组基础设施和细胞技术，”Tyo说道，“这是实现我们长期目标的一个步骤。”