美国北卡罗来纳州立大学和约翰·霍普金斯大学的研究人员开发出一种突破性技术，利用DNA进行数据存储和计算，提供存储、检索、计算和重写数据等功能。
这项技术通过创新的聚合物结构（树枝状胶体）得以实现，从而提高了数据密度和保存能力。它能实现与电子设备类似的功能，并有可能将数据保护千年之久，为未来的分子计算提供了一个前景广阔的基础。
DNA数据存储和计算
北卡罗来纳州立大学和约翰·霍普金斯大学的研究人员展示了一种能够实现一系列数据存储和计算功能的技术——重复存储、检索、计算、擦除或重写数据，该技术使用的是DNA而不是传统电子设备。以前的DNA数据存储和计算技术可以完成部分任务，但不能完成全部任务。
该项目负责人、相关论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系副教授Albert Keung说：“在传统的计算技术中，我们想当然地认为数据的存储方式和数据的处理方式是相互兼容的，但实际上，数据存储和数据处理是在计算机的不同部分完成的，现代计算机是一个由复杂技术组成的网络。”
“DNA计算一直在努力解决以核酸形式存储数据时如何存储、检索和计算的难题，”Keung说，“对于电子计算来说，设备的所有组件都是兼容的，这也是这些技术吸引人的原因之一。但迄今为止，人们一直认为，虽然DNA数据存储可能对长期数据存储有用，但要开发出一种DNA技术，涵盖传统电子设备中的所有操作，包括存储和移动数据，读取、擦除、重写、重新加载或计算特定数据文件的能力，以及以可编程和可重复的方式完成所有这些操作，这是很困难的，甚至是不可能的。”
基于DNA的技术取得突破
共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系特聘教授Orlin Velev说：“我们已经证明，这些基于DNA的技术是可行的，因为我们已经制造出了一种技术。具体来说，我们创造了一种聚合物结构，我们称之为树枝状球体——它们从微观尺度开始，但以分层的方式彼此分支，形成纳米级纤维网络，这种形态创造了一种具有高表面积的结构，使我们能够将DNA沉积在纳米纤维中，而不会牺牲数据密度，而数据密度正是DNA在数据存储方面的吸引力所在。”
Keung表示这个结构可以把约1000台笔记本电脑的数据存入与铅笔头上橡皮大小相同的DNA存储设备中。
创新功能与实际应用
论文第一作者、曾在北卡罗来纳州立大学攻读博士学位的Kevin Lin说：“将DNA信息与存储在纳米纤维上的DNA信息区分开来的能力，能够实现许多与电子设备相同的功能。我们可以直接从材料表面复制DNA信息，而不会伤害DNA。我们还可以擦除目标DNA片段，然后重新写入同一个表面，就像删除和重写存储在硬盘上的信息一样。从根本上说，它可以让我们实现全方位的DNA数据存储和计算功能。此外，我们还发现，当把DNA沉积在树枝状胶体材料上时，这种材料有助于保存DNA。”
Velev说：“可以说，Keung团队提供的是微电路，而我的团队创造的树枝状胶体材料提供的是电路板。北卡罗来纳州立大学合作者帮助我们将这些材料纳入微流体通道，引导核酸和试剂流动，使我们能够移动数据并启动计算指令。约翰·霍普金斯大学的温斯顿-廷普实验室贡献了他们在纳米孔测序方面的专业知识，帮助我们从材料表面的DNA复制RNA中的数据后直接读取。北卡罗来纳州立大学的詹姆斯-塔克实验室开发的算法可以让我们将数据转换成核酸序列，同时控制潜在的错误。”
未来前景与影响
研究人员已经证明，这种新的数据存储和计算技术——他们称之为“原始DNA存储和计算引擎”，能够解决简单的数独和国际象棋问题。测试表明，它可以在商业空间中安全地存储数据数千年，而不会降低信息存储DNA的性能。
Velev说：“更重要的是，树枝状胶体宿主材料本身相对便宜，易于制造。”
“分子数据存储和计算引起了人们的极大兴趣，但人们对这一领域的实用性一直存有疑问，”Keung说，“我们希望开发出能够激励分子计算领域的东西，我们在这里所做的一切都是朝着这个方向迈出的重要一步。”这项工作得到了美国国家科学基金会相关基金的支持。（逸文）
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