與大多數(shù)事物一樣，大自然的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)-DNA遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我們創(chuàng)造的任何東西。近日，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究人員通過(guò)在其“字母表”中添加額外的字母，將存儲(chǔ)容量翻了一番，并開(kāi)發(fā)了一種新的讀取方式。
DNA由四種核堿基的組合組成：腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。這些堿基用字母 A、G、C 和 T 表示，以不同的順序組合在一起而形成單個(gè)生物體的藍(lán)圖。這個(gè)信息存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量非常驚人，一克 DNA 能夠存儲(chǔ)多達(dá)215 PB（2.15 億 GB）的數(shù)據(jù)。
這當(dāng)然使它成為現(xiàn)代社會(huì)非常有吸引力的潛在存儲(chǔ)解決方案—互聯(lián)網(wǎng)的全部?jī)?nèi)容可以裝在一個(gè)裝滿 DNA 的“盒子”中?，F(xiàn)在，科學(xué)家找到了一種新方法，可將這種存儲(chǔ)容量再翻一倍。
除了通常的 A、G、C 和 T，該團(tuán)隊(duì)有效地在 DNA 字母表中添加了額外的七個(gè)“字母”。這些字母采用化學(xué)修飾核苷酸的形式，開(kāi)辟了更多不同的組合，并允許在相同數(shù)量的物理空間內(nèi)存儲(chǔ)更多信息。
研究作者Kasra Tabatabaei說(shuō)：“如果你只有四個(gè)字母可以使用，那么創(chuàng)造的單詞也是有限的。但如果你有完整的字母表，便可以產(chǎn)生無(wú)限的單詞組合。”
當(dāng)然，添加額外的核苷酸意味著現(xiàn)有的讀取數(shù)據(jù)的系統(tǒng)將無(wú)法識(shí)別它們，因此該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一個(gè)可以識(shí)別它們的新系統(tǒng)。DNA 鏈通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)中的納米孔來(lái)檢測(cè)到單個(gè)單元，無(wú)論它們是天然的還是合成的。然后，機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)存儲(chǔ)在其中的信息進(jìn)行解碼。
研究的另一作者Chao Pan 說(shuō)：“我們嘗試了 11 種核苷酸的 77 種不同組合，我們的方法能夠完美區(qū)分每一種。而且，識(shí)別不同核苷酸的深度學(xué)習(xí)框架是通用的，可以推廣到許多其他應(yīng)用。”
除了擴(kuò)大存儲(chǔ)容量外，新方法還將信息寫(xiě)入DNA所需的時(shí)間減少了一半，這對(duì)于DNA來(lái)說(shuō)通常是一個(gè)相當(dāng)緩慢的過(guò)程。
該研究論文題為“Expanding the Molecular Alphabet of DNA-Based Data Storage Systems with Neural Network Nanopore Readout Processing”，已發(fā)表在《納米快報(bào)》上。
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論文原文：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04203
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