合成生物學團隊完成10幅敦煌壁畫DNA存儲

DNA存儲的敦煌壁畫


　　本報訊 隨著時間的推移，人類歷史文化遺產面臨著不可避免的老化和破損，如敦煌壁畫等。為讓子孫后代都能欣賞到這一壯美的歷史畫卷，我校合成生物學團隊創新了DNA存儲算法，將10幅敦煌壁畫存入到DNA中，通過加速老化實驗驗證，壁畫信息可在實驗室常溫下保存千年、在9.4℃下保存2萬年。
　　該團隊通過DNA合成技術結合糾錯編碼將壁畫信息寫入DNA中，實現了高密度的數據存儲。但DNA作為一種鏈式生物大分子，在體外常溫保存時面臨DNA斷裂降解等風險，嚴重影響了信息存儲的長期可靠性，這是亟待解決的關鍵科學問題。為此，該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與噴泉碼算法，該團隊設計編碼了6.88兆敦煌壁畫，合成了承載圖片信息的DNA片段21萬條。為數據的長期可靠性，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10周。處理后的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他們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。根據理論推算，這種程度的高溫破壞相當于實驗室常溫25℃1000年或9.4℃長達2萬年的自然保存。
　　據悉，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。該項技術為我們長期保存人類歷史文化遺產提供了一個潛在的數字化解決方案。相關成果發表于《自然-通訊》雜志上。這也是繼基于人工合成染色體的酵母體內信息存儲模式取得突破后，我校合成生物學團隊在DNA信息體外存儲模式上又取得了一項重要突破。趙暉/文 敦煌/圖