来自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套数据存储和计算功能的技术——反复存储、检索、计算、擦除或重写数据——该技术使用DNA而不是传统的电子设备。以前的DNA数据存储和计算技术可以完成其中一些任务，但不是全部。
这篇题为“A Primordial DNA Store and Compute Engine”的论文发表在《自然纳米技术》杂志上。
“我们已经证明这些基于DNA的技术是可行的，因为我们已经制造了一个。
这项新技术是通过最近的技术实现的，这些技术使创造出具有独特形态的软聚合物材料成为可能。
“具体来说，我们已经创造了我们称之为树枝状胶体的聚合物结构 - 它们从微观尺度开始，但以分层的方式相互分支，以创建纳米级纤维网络，”Orlin Velev说，共同通讯作者，北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程的S. Frank和Doris Culberson杰出教授。
“这种形态创造了一种具有高表面积的结构，这使我们能够在不牺牲数据密度的情况下将DNA沉积在纳米纤维中，而数据密度使DNA首先对数据存储具有吸引力。
“你可以将一千台笔记本电脑的数据放入基于DNA的存储中，这个存储器的大小与铅笔擦相同，”Keung说。
“将DNA信息与存储的纳米纤维区分开来的能力使我们能够执行许多与电子设备相同的功能，”该论文的第一作者，北卡罗来纳州立大学的前博士生Kevin Lin说。
“我们可以直接从材料表面复制DNA信息，而不会损害DNA。我们还可以擦除目标的DNA片段，然后重写到同一表面，例如删除和重写存储在硬盘驱动器上的信息。它本质上使我们能够进行全方位的DNA数据存储和计算功能。此外，我们发现，当我们将DNA沉积在树状胶体材料上时，该材料有助于保存DNA。
“你可以说Keung的团队提供了相当于微电路的产品，而我的团队创造的树枝状胶体材料提供了电路板，”Velev说。
“我们的北卡罗来纳州立大学合作者阿德里安娜·圣米格尔（Adriana San Miguel）帮助我们将材料整合到微流体通道中，这些通道引导核酸和试剂的流动，使我们能够移动数据并启动计算命令。约翰·霍普金斯大学（Johns Hopkins）的Winston Timp实验室贡献了他们在纳米孔测序方面的专业知识，这有助于我们在从材料表面的DNA复制RNA后直接读取RNA中的数据。詹姆斯·塔克（James Tuck）的实验室也在北卡罗来纳州立大学（NC State）开发了一种算法，使我们能够将数据转换为核酸序列，反之亦然，同时控制潜在的错误。
研究人员已经证明，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，它可以在商业可用空间中安全地存储数据数千年，而不会降低存储信息的DNA。
“更重要的是，树状胶体主体材料本身相对便宜且易于制造，”Velev说。
“人们对分子数据存储和计算感到非常兴奋，但关于该领域的实用性仍然存在重大问题，”Keung说。“我们回顾了计算的历史，以及ENIAC的创建如何激发了该领域的灵感。我们想开发一些能够激发分子计算领域灵感的东西。我们希望我们在这里所做的是朝着这个方向迈出的一步。
该论文由北卡罗来纳州立大学的前博士生凯文·沃尔克尔（Kevin Volkel）和安德鲁·克拉克（Andrew Clark）合著;Cyrus Cao 和 Rachel Polak，北卡罗来纳州立大学的博士生;北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程副教授阿德里安娜·圣米格尔（Adriana San Miguel）;詹姆斯·塔克（James Tuck），北卡罗来纳州立大学电气和计算机工程教授;约翰·霍普金斯大学生物医学工程副教授温斯顿·蒂姆普（Winston Timp）;以及约翰·霍普金斯大学的博士后研究员保罗·胡克（Paul Hook）。
“在传统的计算技术中，我们理所当然地认为数据存储的方式和数据的处理方式是相互兼容的，”项目负责人Albert Keung说，他是一篇关于这项工作的论文的共同通讯作者。
“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。Keung是北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程副教授，也是晚安杰出学者。
“DNA计算一直在努力应对如何存储、检索和计算数据以核酸形式存储的挑战，”Keung说。
“对于电子计算来说，设备的所有组件都兼容这一事实是这些技术吸引人的原因之一。但是，迄今为止，人们认为，虽然 DNA 数据存储可能有助于长期数据存储，但开发一种涵盖传统电子设备中所有操作范围的 DNA 技术是困难或不可能的：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;并以可编程和可重复的方式完成所有这些事情。
