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天津大學(xué)DNA存儲取得重大突破 可讓信息保存千年萬年

華夏經(jīng)緯網(wǎng) > 新聞 > 大陸新聞 > 社會綜合      2022-09-17 15:22:28

   新華社天津9月17日電(張建新、趙暉)記者從天津大學(xué)獲悉,該校合成生物學(xué)團隊創(chuàng)新DNA存儲算法,將十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(shù)據(jù)存儲介質(zhì)之一,可以讓面臨老化破損危機的人類文化遺產(chǎn)信息保存千年萬年。

  該成果近日發(fā)表于《自然·通訊》上。

DNA存儲的敦煌壁畫

  從結(jié)繩記事、倉頡造字到磁帶、硬盤等現(xiàn)代磁光電存儲技術(shù),人類文明的發(fā)展與存儲技術(shù)密切相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的進步,數(shù)據(jù)存儲方式不斷迭代創(chuàng)新。中國科學(xué)院院士、天津大學(xué)元英進教授帶領(lǐng)團隊一直致力于下一代存儲技術(shù)——DNA存儲?!皳?jù)國際數(shù)據(jù)公司估計,到2025年全球數(shù)據(jù)總量將達到驚人的175ZB(1ZB≈10的21次方字節(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存儲由于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(shù),成為應(yīng)對數(shù)據(jù)存儲增長挑戰(zhàn)的新機遇。”元英進院士介紹說。

  2021年8月元英進教授團隊取得DNA存儲的重大突破,從頭編碼設(shè)計合成了一條長度為254886堿基對、專用于數(shù)據(jù)存儲的酵母人工染色體,將兩張經(jīng)典圖片和一段視頻存儲于人造染色體中,利用酵母繁殖實現(xiàn)了數(shù)據(jù)穩(wěn)定復(fù)制,并用納米孔測序器件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)快速讀出與無錯恢復(fù)。

DNA存儲技術(shù)概念圖

  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(fēng)險,嚴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。對此,元英進團隊設(shè)計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)冗余校驗碼來實現(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),團隊設(shè)計編碼了6.8MB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,團隊制備了一個沒有任何特殊保護的DNA水溶液樣本,并在70℃下加速樣本斷裂、降解長達十周。處理后的DNA片段80%以上都發(fā)生了斷裂錯誤,依靠設(shè)計的序列重建算法依然可以準確組裝并解碼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)于實驗室常溫25℃一千年或者9.4℃長達兩萬年的自然保存。

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


文章來源:新華網(wǎng)
責(zé)任編輯:黃楊
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