計算機晶片行業的方法有助於DNA中數字數據的寫入和存儲
根據目前的估計，人類和機器產生的數據量正以指數級的速度增長，數字宇宙的規模每兩年翻一番。我們極有可能使用的磁和光數據存儲系統在某個時候將無法再存儲這種快速增長的數字1和0。另外，他們不能安全存儲數據超過一個世紀而不降級。
解決這一懸而未決的全球數據存儲問題的一種方法可能是將DNA（生活中自己的信息存儲系統）開發為數字數據存儲介質。
研究人員已經在將由數字代碼組成的複雜信息編碼為DNA的由A，T，G和C核苷酸鹼基組成的四字母代碼。DNA是一種理想的存儲介質，因為它可以在數百或數千年內保持穩定，並具有非凡的信息密度，並且可以通過不斷降低成本的先進測序技術再次有效地讀取（解碼）其信息。
落後的是將信息寫入（編碼）DNA的能力。合成的DNA序列的程序化合成仍然主要使用數十年的化學程序（稱為「亞磷醯胺方法」）執行，該過程需要許多步驟，儘管能夠被多重化，但最多只能生成大約200個DNA序列。核苷酸長度，偶爾會出錯。它還會產生與「清潔數據存儲技術」不兼容的對環境有毒的副產品。
此前，哈佛大學懷斯生物啟發工程研究所和哈佛醫學院（HMS）的喬治·丘奇（George Church）團隊開發了第一種DNA儲存方法，該方法使用稱為末端脫氧核苷酸轉移酶（TdT）的DNA合成生物酶，該酶原則上可以合成更長的DNA序列，錯誤更少。現在，研究人員已將計算機晶片行業的光刻技術應用於酶促DNA合成，從而開發了一種多路復用TdT優異的DNA書寫能力的新方法。在發表於《自然通訊》上的研究中，他們證明了在1.2平方毫米的陣列表面上可以並行合成12條DNA鏈，它們具有不同的序列。
「我們一直倡導並大力追求將DNA用作不經常訪問的數據存檔介質，但具有很高的容量和穩定性。我們和其他人的突破使以DNA加密的數字數據量呈指數增長，」相應的作者邱吉爾說。「這項研究以及酶促DNA合成的其他進展將推動DNA的書寫比化學方法快得多和更快。」
丘奇（Church）是威斯學院（Wyss Institute）的核心教職人員，也是其合成生物學重點領域的負責人，其DNA數據存儲是其技術開發領域之一。他還是HMS的遺傳學教授以及哈佛和麻省理工學院的健康科學與技術教授。
該小組採用TdT酶作為DNA合成和數字數據存儲的有效工具的第一個策略是使用第二種酶控制TdT的酶活性，但他們在新的研究中表明TdT可以由紫外線照射的高能光子控制。由...組成。高度的控制至關重要，因為需要指示TdT酶在每個循環中僅以一個高精度將一個或一個由四個A，T，G，C核苷酸鹼基之一組成的短片段添加到生長的DNA鏈中DNA合成過程。
下圖顯示了Wyss小組如何將1985年Nintendo Entertainment System電子遊戲Super Mario BrothersTM「 Overworld Theme」（輸入）的第一部分編碼為DNA，然後再次將其解碼為聲音（輸出）。
圖片來源：哈佛大學懷斯學院
使用特殊的編解碼器（一種將數字信息編碼為DNA編碼並再次對其進行解碼的計算方法），這是Church團隊在之前的研究中開發的，研究人員對1985年Nintendo Entertainment System的「 Overworld Theme」活頁樂譜的前兩種方法進行了編碼。 （NES）電子遊戲《超級馬裡奧兄弟》，內含12條合成DNA鏈。他們通過延伸短的DNA「引物」序列（使用其光刻方法以3×4模式延伸），在表面尺寸僅為1.2平方毫米的陣列矩陣上生成了這些鏈。
「我們採用了計算機晶片工業所用的相同的光刻方法來製造具有納米精度圖案化的電路的晶片，以寫入DNA，」 Church研究小組的博士後研究員Howon Lee說。「這為酶促DNA合成提供了在生產編碼數據的DNA鏈中空前多重的潛力。」
像攝影一樣的光刻技術，是利用光將圖像轉移到基板上，從而引起化學變化的。計算機晶片行業將這一過程小型化，並使用矽代替薄膜作為基材。邱吉爾的研究小組現在通過用陣列矩陣取代矽，從而改變了晶片行業在新的DNA寫入方法中的能力，該陣列矩陣由包含短DNA引物序列的微流體細胞組成。
為了控制位於3×4模式的引物上的DNA合成，研究小組將一束紫外線引導到了動態掩模上（就像在計算機晶片製造中所做的那樣），該掩模實際上是3×4模式的模版。其中的DNA合成被激活-然後用光學透鏡將掩模另一側的圖案光束縮小到陣列矩陣的大小。
「從掩模圖案反射的紫外線精確地擊中了引物延伸的目標區域，並釋放了TdT酶起作用所需的鈷離子，方法是降解光敏的「籠狀」分子，從而將離子與TdT隔離開」合著者，威斯研究所（Wyss Institute）研究科學家Daniel Wiegand說。「當紫外線燈關閉並且TdT酶再次被過量的籠狀分子失活時，它已經在生長的引物序列中添加了一個核苷酸鹼基或四個核苷酸鹼基之一的均聚物嵌段。」
該循環可以重複多次，由此在每一輪中僅將四個核苷酸鹼基之一或特定核苷酸鹼基的均聚物添加至陣列基質。此外，通過在每個循環中選擇性覆蓋掩模的特定開口，TdT酶僅將特定的核苷酸鹼基添加到DNA引物上，並通過紫外線將其激活，從而使研究人員可以完全編程每個鹼基中的核苷酸序列。股。
「可以進一步開發在這個新儀器平臺上進行的光子定向多重酶促DNA合成，以實現更高的自動化多重化以及改進的TdT酶，最終使基於DNA的數據存儲更加有效，更快和更便宜。」通訊作者裡奇·科曼（Richie Kohman），是威斯（Wyss）合成生物學研究重點領域的首席高級研究科學家，他幫助協調了威斯研究所（Wyss Institute）教會團隊的研究。
「由教堂團隊進行的這種酶促合成DNA合成的新方法是一個巧妙的生物啟發工程技術，將DNA複製的力量與人類開發的最可控且最可靠的製造方法之一-光刻技術相結合，從而提供了一種解決方案Wyss研究所的創始董事Don Ingber說道，他也是哈佛大學醫學院和波士頓兒童醫院的Judah Folkman血管生物學教授，並且是哈佛大學生物工程學教授，他使我們更接近將DNA建立為可用的數據存儲介質的目標。哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）。
這項研究的其他作者是Church團隊的其他成員，包括Kettner Griswold和Sukunya Punthambaker，以及高麗大學生物醫學工程教授Honggu Chun。這項工作由Wyss生物啟發工程研究所資助。