創(chuàng)新DNA存儲算法讓千年敦煌壁畫可再保存2萬年

記者9月16日從天津大學獲悉，該校合成生物學團隊創(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)表于國際期刊《自然·通訊》上。

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，隨著科學技術(shù)的進步，數(shù)據(jù)存儲方式不斷迭代創(chuàng)新。中國科學院院士、天津大學元英進教授團隊一直致力于下一代存儲技術(shù)——DNA存儲。

“據(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≈1021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。該團隊從頭編碼設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。該工作及后續(xù)研究內(nèi)容先后發(fā)表于《國家科學評論》和《中國科學-生命科學》。

DNA存儲的敦煌壁畫

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。為保證數(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。根據(jù)理論推算，這種程度的高溫破壞相當于實驗室常溫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。（科技日報記者 陳曦 通訊員 趙暉）

DNA存儲技術(shù)概念圖

基于德布萊英圖圖論設計的序列重建算法高效解決DNA斷裂、降解問題

（天津大學供圖）