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近日，東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉宏教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了集成化DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)方面的研究進(jìn)展，通過(guò)電極表面合成DNA分子及原位測(cè)序?qū)崿F(xiàn)了單電極上數(shù)據(jù)寫入和讀取的一體化，為實(shí)現(xiàn)未來(lái)的高通量自動(dòng)化DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。相關(guān)成果以“Electrochemical DNA synthesis and sequencing on a single electrode with scalability for integrated data storage”為題在國(guó)際著名期刊Science Advances發(fā)表。

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，全球數(shù)據(jù)產(chǎn)生量正以指數(shù)形式激增，而以DNA分子為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)被認(rèn)為是解決未來(lái)“數(shù)據(jù)危機(jī)”的一個(gè)可行方案。目前，DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)大多基于“編碼-合成-儲(chǔ)存-測(cè)序-解碼”的操作流程，涉及到大型儀器和專業(yè)技術(shù)人員的參與。為了DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)的微型化、集成化和自動(dòng)化，劉宏團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于電化學(xué)的單電極DNA合成和測(cè)序方法，通過(guò)電化學(xué)脫保護(hù)技術(shù)改進(jìn)了傳統(tǒng)亞磷酰胺化學(xué)合成方法，并基于電荷振蕩現(xiàn)象對(duì)電極表面的DNA分子進(jìn)行測(cè)序，借助多次測(cè)量和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法降低測(cè)量誤差，最終成功將校訓(xùn)（止于至善——“Rest in the highest excellence!”）以DNA分子形式存儲(chǔ)在電極表面并讀取出來(lái)。

圖1 基于電化學(xué)DNA合成與測(cè)序的DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)流程圖 

此外，劉宏團(tuán)隊(duì)還探索了現(xiàn)有體系向高通量自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的潛力。研究人員利用微流控滑動(dòng)芯片技術(shù)設(shè)計(jì)了單片四電極系統(tǒng)，通過(guò)滑動(dòng)芯片向電極高效地輸送反應(yīng)試劑，成功實(shí)現(xiàn)了四電極上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（“DNA stores Future World”），為之后高通量集成化自動(dòng)化DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)的開發(fā)打下基礎(chǔ)。

本工作的第一作者為東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院博士生許成韜，通訊作者為東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉宏教授，趙超副教授及東南大學(xué)至善博士后馬標(biāo)、董興博士和高中莉同學(xué)參與了本研究。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、東南大學(xué)生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金的資助。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk0100