工科人可以有多浪漫？这位教授把校训“止于至善”——“Rest in the highest excellence!”刻在 DNA 分子里。
图 | 把校训刻在 DNA 分子上（来源：资料图）
他就是东南大学生物科学与医学工程学院教授刘宏。在最近一项研究中，他和团队实现了 DNA 合成和 DNA 测序的集成，并实现了仪器微型化。
（来源：Science Advanced）
期间，刘宏等人改良了传统化学合成方法，并将校训“翻译”成一段 DNA 序列，使用电化学方法存储在电极上并成功读出。
图 | 刘宏（左一）和团队（来源：资料图）
相关论文由他担任通讯作者，于 11 月 12 日，以《单个电极上的电化学 DNA 合成和测序可应用于规模化集成数据存储》（Electrochemical DNA synthesis and sequencing on a single electrode with scalability for integrated data storage）为题发表在 Science Advanced 上。
图 | 相关论文（来源：Science Advanced）
DNA 存储是应对“数据危机”的新思路
刘宏表示，人类当前亟需更优秀的存储介质。而广大生物用于存储自身信息的 DNA，有望成为新介质。假如能用 DNA 分子来存储数据，或将成为应对“数据危机”的新思路。
（来源：Science Advanced）
所谓“数据危机”，指的是在数据爆炸的大数据时代，全球数据量的增速呈指数级。对于硬盘和光盘等传统存储介质来说，当前的存储能力正面临极大挑战。
日常我们能看到的动物比如猫和狗，它们的 DNA 序列中保存着所有自身信息。详细来说，我们生活的地球上的各种生物正是由 DNA 中的各种碱基衍生而来，比如A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）等。
作为新型存储介质，DNA 有望实现比传统半导体和磁性介质更高的存储效率、编码密度和稳定性。
正因此，DNA 存储研究并不是新鲜事。但是，多数 DNA 存储系统都基于“编码-合成-储存-测序-解码”的流程，它存在两大痛点：其一需要使用大型仪器，其二必须让专业技术人员参与。
具体来说，此前的 DNA 存储方法通常涉及复杂的液体操作。在合成步骤中添加一个磷酰胺核苷酸单体，一般要至少引入四种液体溶液，更不必说繁杂的测序步骤。以上不足限制了 DNA 存储的发展，误差概率也始终居高不下。
如何实现更小、更自动、更集成化的 DNA 存储系统？基于电化学原理，该团队发展出一种单电极 DNA 合成和测序方法。
（来源：Science Advanced）
在该研究中，DNA的合成基于磷酰胺化学和电化学脱保护进行。测序的基本原理来源于聚合酶催化的引物延伸的电荷再分布，从而获得可测量的电流。通过测序后的电极再生，还可实现重复测序，结果准确性也可得到提高。
此外，他们还开发出一种 SlipChip 设备，用于简化 DNA 合成和测序中的液体引入过程。
总体准确率为 89.17%
借助电化学脱保护技术，他们改良了传统的亚磷酰胺化学合成方法，并基于电荷振荡现象，就电极表面的 DNA 分子进行测序。
（来源：Science Advanced）
如何制备储存数据的材料？据悉，基于 SlipChip 的微流控设备，可用于保存 DNA 化学物质和各种试剂。通过标准光刻技术和物理气相沉积技术，他们在载玻片上制备了一个 2×2Au 电极阵列，此外还制备了一个带有流体通道和储液腔的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模块，然后与载玻片一起组装，并在储液腔中预装了电极上的 DNA 合成和测序试剂。
一个 SlipChip 一般有两层，下面的板上钻有孔洞、来容纳化学液体或微滴。上板还可作为下板井的盖子，通过移动或滑动顶板，一个孔或多个孔可通过底板中的管道排列，而井中的液体可通过管道发生反应，这意味着不需要泵或阀门来移动化学物质。
SlipChip 的正负电荷，会根据 DNA 序列存在与否做出改变。其中，DNA 合成是基于磷酰胺化学和电化学脱保护，测序则依赖聚合酶催化引物延伸的电荷再分配，这可让电流峰值达到可测量的量级。可以说，SlipChip 装置大大简化了与 DNA 合成、以及测序有关的水相介质。
为了启动 DNA 合成，该团队将电极暴露在试剂库中的磷酰胺核苷酸单体中。然后，分别将电极与相应的试剂储层和流体通道对齐，依次进行清洗、氧化和电化学脱保护步骤。
研究中，二进制的数据被编码到四种 DNA 碱基（A、T、C 和 G）序列中，然后合成 DNA，这一步便是数据输入。测序过程则相当于读取数据，即把这些固定的碱基序列读取成一串二进制的数据。
在同一电极上的测序，是通过将电极孵育在流体通道中的聚合酶溶液中，然后依次将电极暴露在、四个含有不同脱氧核糖核苷三磷酸的储层中来完成。
为降低测量误差，他们使用统计学方法，并进行了多次测量。最后，该校校训“止于至善”终于在电极表面实现了 DNA 分子形式存储，并能被读取出来。
（来源：Science Advanced）
在此过程中，刘宏等人测量了来自电极的电流，以便对 DNA 进行测序，总体准确率为 89.17%。此外，在四电极阵列上写入和读取 20 字节的数据大约需要 14 个小时。
另据悉，对于当前体系、朝向高通量自动化系统的发展潜力，他们也做了探索：借助微流控 SlipChip 技术，刘宏等人设计出单片四电极系统，让电极可以高效地输送反应试剂。
所有合成和测序中使用的液体操作，都是根据 SlipChip 的原理完成的，这些过程可被完全集成到数据库扩展中。在单个电极上写入和读取数据，并不需要一个地址序列，这样数据量就只会受到电极数量的限制。这一策略还采用了多重投票原则的多重测序和碱基识别，借此可以消除一些随机误差。
与传统的系统相比，SlipChip 设备的不可用容量更小，这样可以节省昂贵的试剂，让写入和读取大量数据更具成本效益。
刘宏和团队还对拟议的 DNA 数据存储系统的未来发展进行了设想，通过扩大微芯片上的电极和反应储层的数量，本次提出的方法还有望开发出高效、集成和自动化的真正大型数据库。因此，他们认为该系统是一个颇具前途的基于 DNA 的数据存储平台。
（来源：Science Advanced）
“是 DNA 存储的一个进步”
概括来说，借助电极表面合成 DNA 分子、以及原位测序，刘宏等人在单电极上实现了一体化的数据写入和数据读取，这给未来的高通量自动化 DNA 存储系统打下基础。
此次新成果的诞生，也意味着人们自此告别了使用复杂化学实验室设备合成和操纵DNA 的历史，这是 DNA 存储的一个进步，可有效缩小设备并极大提升便利性。
而之所以把校训存进 DNA 分子，是因为该研究还处于初期阶段，暂时不能存进过多信息，因此刘宏团队的博士生许成韬提出了把校训存进去的建议。
正因此刘宏也坦言，目前可存储的信息量并不算多。尽管完成了从 0 到 1 的研究，但后续从 1-100 的过程会更艰难。想让 DNA 分子真的可以替代硬盘和光盘，还有诸多问题要克服。
一个种子库超过 200 万年后仍然可读
据悉，DNA 的理论数据密度高达~455EB/g，只要保存条件适当，DNA 可被稳定保存，因此编码在 DNA 中的信息在很长一段时间。
此前有报道称，有一个种子库超过 200 万年后仍然可读。也有团队将 200 兆字节的数字文件成功编码到 DNA 序列中，这相当于大约 20 年前最流行的硬盘驱动器的存储容量，因此 DNA 存储的帷幕才刚刚拉开。
刘宏也坦言，本次论文只涉及到单个实验，因此只有一个电极在工作，后续刘宏打算扩大试验，制备出成千上万电极，从而把更多信息写进去、读出来。等到存储体系变得成熟且稳定以后，它还打算和芯片做结合。
据介绍，刘宏本硕均毕业于南京大学，后在美国德克萨斯大学奥斯汀分校获得博士学位。2013 年，在完成博后研究后，他回国加入东南大学，主要研究方向为电化学、微流控芯片、传感器、现场快速检测（POCT）。对于目前的研究，他概括称：“我们目前在做的都是生物电子方面的工作，在生物和信息之间做一些交叉的研究，既从左到右，又从右到左，是一个双向的研究方向。”
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支持：
周静昕、vantee、熊岳城
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