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創新DNA存儲算法 讓敦煌壁畫再“活”兩萬年

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來源:科技日報 | 2022-09-21 17:35:43
科技日報 | 2022-09-21 17:35:43
原標題:創新DNA存儲算法 讓敦煌壁畫再“活”兩萬年
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  記者9月16日從天津大學獲悉,該校合成生物學團隊創新DNA存儲算法,將10幅精選敦煌壁畫存入DNA中,通過加速老化實驗驗證,壁畫信息在實驗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據存儲介質之一,可以讓面臨老化破損危機的人類文化遺産信息保存千年萬年。該成果近日發表于國際期刊《自然·通訊》上。

  人類文明的發展與存儲技術密切相關,隨著科學技術的進步,數據存儲方式不斷迭代創新。中國科學院院士、天津大學元英進教授團隊一直致力於下一代存儲技術——DNA存儲的研發。

  “據國際數據公司估計,到2025年全球數據總量將達到驚人的175ZB(1ZB約為1021字節)。全世界都在建數據中心,數據中心的能耗是驚人的。DNA存儲由於其高存儲密度與低能耗處理等特點,被視為一種極具潛力的存儲技術,成為應對數據存儲增長挑戰的新機遇。”元英進説。

  2021年8月,元英進團隊取得DNA存儲研究的重大突破。該團隊從頭編碼設計合成了一條長度為254886鹼基對、專用於數據存儲的酵母人工染色體,將兩張經典圖片和一段視頻存儲於人造染色體中,利用酵母繁殖實現了數據穩定複製,並用納米孔測序器件實現了數據快速讀出與無錯恢復。

  DNA存儲高效低耗,但作為一種鏈式生物大分子,在體外常溫保存時會面臨DNA斷裂降解等風險,嚴重影響信息存儲的長期可靠性,是亟待解決的關鍵科學問題。對此,元英進團隊設計了基於德布萊英圖理論的序列重建算法來解決DNA斷裂等問題。該算法結合貪婪路徑搜索和循環冗余校驗碼來實現斷裂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。

  結合該序列重建算法(內碼)與噴泉碼算法(外碼),團隊設計編碼了6.8MB(兆字節)敦煌壁畫,合成了承載圖片信息的DNA片段21萬條。為保證數據的長期可靠性,團隊製備了一個沒有任何特殊保護的DNA水溶液樣本,並在70℃下加速樣本斷裂、降解長達10周。處理後的DNA片段80%以上都發生了斷裂錯誤,依靠設計的序列重建算法依然可以準確組裝並解碼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。根據理論推算,這種程度的高溫破壞相當於實驗室常溫25℃一千年或者9.4℃兩萬年的自然保存。

  這是繼基於人工合成染色體的酵母體內信息存儲模式取得突破後,天津大學合成生物學團隊在DNA信息體外存儲模式上取得的又一重要成果。

編輯:阮崢 責任編輯:馮思謠
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