计算机芯片行业的方法有助于DNA中数字数据的写入和存储
根据目前的估计，人类和机器产生的数据量正以指数级的速度增长，数字宇宙的规模每两年翻一番。我们极有可能使用的磁和光数据存储系统在某个时候将无法再存储这种快速增长的数字1和0。另外，他们不能安全存储数据超过一个世纪而不降级。
解决这一悬而未决的全球数据存储问题的一种方法可能是将DNA（生活中自己的信息存储系统）开发为数字数据存储介质。
研究人员已经在将由数字代码组成的复杂信息编码为DNA的由A，T，G和C核苷酸碱基组成的四字母代码。DNA是一种理想的存储介质，因为它可以在数百或数千年内保持稳定，并具有非凡的信息密度，并且可以通过不断降低成本的先进测序技术再次有效地读取（解码）其信息。
落后的是将信息写入（编码）DNA的能力。合成的DNA序列的程序化合成仍然主要使用数十年的化学程序（称为“亚磷酰胺方法”）执行，该过程需要许多步骤，尽管能够被多重化，但最多只能生成大约个DNA序列。核苷酸长度，偶尔会出错。它还会产生与“清洁数据存储技术”不兼容的对环境有毒的副产品。
此前，哈佛大学怀斯生物启发工程研究所和哈佛医学院（HMS）的乔治·丘奇（GeorgeChurch）团队开发了第一种DNA储存方法，该方法使用称为末端脱氧核苷酸转移酶（TdT）的DNA合成生物酶，该酶原则上可以合成更长的DNA序列，错误更少。现在，研究人员已将计算机芯片行业的光刻技术应用于酶促DNA合成，从而开发了一种多路复用TdT优异的DNA书写能力的新方法。在发表于《自然通讯》上的研究中，他们证明了在1.2平方毫米的阵列表面上可以并行合成12条DNA链，它们具有不同的序列。
“我们一直倡导并大力追求将DNA用作不经常访问的数据存档介质，但具有很高的容量和稳定性。我们和其他人的突破使以DNA加密的数字数据量呈指数增长，”相应的作者丘吉尔说。“这项研究以及酶促DNA合成的其他进展将推动DNA的书写比化学方法快得多和更快。”
丘奇（Church）是威斯学院（WyssInstitute）的核心教职人员，也是其合成生物学重点领域的负责人，其DNA数据存储是其技术开发领域之一。他还是HMS的遗传学教授以及哈佛和麻省理工学院的健康科学与技术教授。
该小组采用TdT酶作为DNA合成和数字数据存储的有效工具的第一个策略是使用第二种酶控制TdT的酶活性，但他们在新的研究中表明TdT可以由紫外线照射的高能光子控制。由...组成。高度的控制至关重要，因为需要指示TdT酶在每个循环中仅以一个高精度将一个或一个由四个A，T，G，C核苷酸碱基之一组成的短片段添加到生长的DNA链中DNA合成过程。
下图显示了Wyss小组如何将年NintendoEntertainmentSystem电子游戏SuperMarioBrothersTM“OverworldTheme”（输入）的第一部分编码为DNA，然后再次将其解码为声音（输出）。
图片来源：哈佛大学怀斯学院
使用特殊的编解码器（一种将数字信息编码为DNA编码并再次对其进行解码的计算方法），这是Church团队在之前的研究中开发的，研究人员对年NintendoEntertainmentSystem的“OverworldTheme”活页乐谱的前两种方法进行了编码。（NES）电子游戏《超级马里奥兄弟》，内含12条合成DNA链。他们通过延伸短的DNA“引物”序列（使用其光刻方法以3×4模式延伸），在表面尺寸仅为1.2平方毫米的阵列矩阵上生成了这些链。
“我们采用了计算机芯片工业所用的相同的光刻方法来制造具有纳米精度图案化的电路的芯片，以写入DNA，”Church研究小组的博士后研究员HowonLee说。“这为酶促DNA合成提供了在生产编码数据的DNA链中空前多重的潜力。”
像摄影一样的光刻技术，是利用光将图像转移到基板上，从而引起化学变化的。计算机芯片行业将这一过程小型化，并使用硅代替薄膜作为基材。丘吉尔的研究小组现在通过用阵列矩阵取代硅，从而改变了芯片行业在新的DNA写入方法中的能力，该阵列矩阵由包含短DNA引物序列的微流体细胞组成。
为了控制位于3×4模式的引物上的DNA合成，研究小组将一束紫外线引导到了动态掩模上（就像在计算机芯片制造中所做的那样），该掩模实际上是3×4模式的模版。其中的DNA合成被激活-然后用光学透镜将掩模另一侧的图案光束缩小到阵列矩阵的大小。
“从掩模图案反射的紫外线精确地击中了引物延伸的目标区域，并释放了TdT酶起作用所需的钴离子，方法是降解光敏的“笼状”分子，从而将离子与TdT隔离开”合著者，威斯研究所（WyssInstitute）研究科学家DanielWiegand说。“当紫外线灯关闭并且TdT酶再次被过量的笼状分子失活时，它已经在生长的引物序列中添加了一个核苷酸碱基或四个核苷酸碱基之一的均聚物嵌段。”
该循环可以重复多次，由此在每一轮中仅将四个核苷酸碱基之一或特定核苷酸碱基的均聚物添加至阵列基质。此外，通过在每个循环中选择性覆盖掩模的特定开口，TdT酶仅将特定的核苷酸碱基添加到DNA引物上，并通过紫外线将其激活，从而使研究人员可以完全编程每个碱基中的核苷酸序列。股。
“可以进一步开发在这个新仪器平台上进行的光子定向多重酶促DNA合成，以实现更高的自动化多重化以及改进的TdT酶，最终使基于DNA的数据存储更加有效，更快和更便宜。”通讯作者里奇·科曼（RichieKohman），是威斯（Wyss）合成生物学研究重点领域的首席高级研究科学家，他帮助协调了威斯研究所（WyssInstitute）教会团队的研究。
“由教堂团队进行的这种酶促合成DNA合成的新方法是一个巧妙的生物启发工程技术，将DNA复制的力量与人类开发的最可控且最可靠的制造方法之一-光刻技术相结合，从而提供了一种解决方案Wyss研究所的创始董事DonIngber说道，他也是哈佛大学医医院的JudahFolkman血管生物学教授，并且是哈佛大学生物工程学教授，他使我们更接近将DNA建立为可用的数据存储介质的目标。哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）。
这项研究的其他作者是Church团队的其他成员，包括KettnerGriswold和SukunyaPunthambaker，以及高丽大学生物医学工程教授HongguChun。这项工作由Wyss生物启发工程研究所资助。
