华大开创“阴阳”编解码系统，未来生物信息可以存到“DNA硬盘”上

读特客户端·深圳新闻网2022年4月26日讯（记者李旖露）起源于几千年前的中华“阴阳”思想，被应用于今天的生物学技术领域，并可能逐步改变未来的大数据产业发展。记者从华大集团获悉，4月25日，《自然－计算科学》（Nature Computational Science）发表华大研究成果，研究团队结合DNA双链模型，开创了一套独具优势的“阴阳”比特－碱基编解码系统，用以解决当前DNA信息存储领域的技术难题。

我们正处在前所未有的信息大爆炸时代，据估算，2025年全球每天将产生491EB数据（1EB＝1024PB，1PB＝1024TB），相当于每天制造出2亿张DVD光盘。

随着5G技术、大数据、人工智能等领域的蓬勃发展，海量数据如何长期稳定存储已成为亟待解决的一大难题，DNA信息存储技术因具有超高信息密度、超强生物兼容性、以及长达521年的半衰期，在复制与维护成本、使用寿命等方面都具有颠覆现有技术的巨大潜能。2019年，“DNA数据存储器”入选《时代周刊》年度100项最佳发明。

2012年开始，科学家们不断进行DNA信息存储的相关尝试，聚焦于如何提升存储的信息密度，并解决生物技术兼容性问题。一直到2017年，科学家引进信息通信领域的编码方法——喷泉码，以条件过滤的方式筛选DNA序列，唯有满足筛选条件方可进行最终生成，基于此实现了对生物技术的兼容。

（DNA存储流程图，与传统信息存储的“信息写入－保存－读取”步骤类似）

尽管DNA喷泉码的诞生几乎解决了此前的技术瓶颈，但实际应用中也出现灵活性与适用性的问题。深圳华大生命科学研究院（以下简称“华大研究院”）正是为DNA存储编解码系统保证信息转换效率和技术兼容的同时，大幅提高信息恢复的稳定性提供了新思路。

4月25日，华大研究院、深圳国家基因库等多家机构的研究团队联合在《自然》（Nature）子刊《自然－计算科学》发表研究论文。研究团队结合DNA双链模型，从中华文化中“阴阳”对立统一的思想获得灵感，开创了一套名为“阴阳”的比特－碱基编解码系统，验证了该系统在信息密度、技术兼容性、数据恢复稳定性等多方面的优势。

研究院团队将“阴阳”中的统一、对立和互化的思想应用到研究中——以两套不同的规则，分别对两条二进制信息进行“一对一”编译转换，再取两者统一交集的部分为最终解，实现将两条独立的信息组合统一为一串DNA序列。

（“阴阳”编解码规则示意图）

据了解，目前，常用的保存方法分为体内和体外两种模式，两者孰优孰劣尚未形成明确定论。为了全方位验证“阴阳”系统的信息恢复稳定性，华大研究院团队通过体外DNA干粉和细胞体内大片段两种存储环境进行测试，皆实现了原始存储数据的完整恢复。

具体而言，在体外模式上，研究团队采用不同浓度的原始DNA文库溶液进行了共200多组测试。结果证明，“阴阳”编码采用的线性数据恢复模式在每种DNA分子的平均拷贝数仅有100时，仍然能恢复最高88％的原始数据。而DNA喷泉码使用的编码方式使得每个数据包间存在一定的拓扑关联，在同样条件下，平均恢复率仅有1．3％。

另一方面，研究将信息存在了酵母活细胞的体内，酵母菌株经过1000代以上传代之后，信息仍可以被完美恢复。研究团队表示，这在一定程度上意味着，利用活体细胞作为DNA存储的载体，上千年后原始信息或仍能被解读。这样的存储方式可以得到接近于天然DNA分子存储理论极限的物理信息密度，每克DNA能存储的信息量约为432．2 EB。

十年来，DNA信息存储领域已取得不少令人瞩目的研究成果，包括检索、修改等高级功能也已完成原理验证性的测试，以微软、谷歌等产业巨头形成的DNA存储联盟更是在为其商业化广泛合作蓄势。

华大方面表示，在探索DNA信息存储的同时，华大也在DNA合成、DNA测序的设备与技术自主研发道路上持续深耕。基于华大的MPS合成技术和DNBSEQ测序技术，结合本研究的比特－碱基编解码技术，华大已经实现了DNA存储的全流程技术闭环。在不远的未来，“DNA硬盘”也许将成为我们日常生活中必不可少的数据存储设备之一。

据悉，该研究由深圳华大生命科学研究院主导，深圳国家基因库、首都师范大学、美国哈佛大学等多个研究团队共同参与。华大研究院平质博士为论文第一作者，华大研究院沈玥研究员、徐讯研究员与哈佛大学George M． Church教授为论文的共同通讯作者。该研究受到国家重点研发计划、国家青年科学基金、广东省高通量基因组测序与合成编辑应用重点实验室、深圳合成生物学创新研究院等项目支持。本研究已通过伦理审查，严格遵循相应法规和伦理准则。来源：深圳新闻网