清华发表重磅论文：乐成在自然环境条件下用镜像DNA储存信息长达一年

崖余 · 发表于 2021-7-30 20:46:20|来自：中国

DNA储存信息的密度令人震动。有计算显示，全天下现有的数据信息可以储存在1公斤中的DNA里。这也让人们对使用DNA来储存人类社会高速发展带来的海量信息给予厚望。例如，微软专门在不久前成立了一个联盟，来推动这一有史以来最高效“硬盘”的研发。但是，自然DNA储存信息却有跨不外的坎儿，镜子里的DNA却能办理这个题目。<img src="https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/13830984722/641"/>自然DNA和镜像DNA。清华大门生命科学学院传授、2020年“科学探索奖”获奖人朱听的实行室，成功开发出基于镜像DNA的信息存储技术，将微生物学家、化学家巴斯德于1860年初次提出“镜像生物学天下”这一概念的笔墨转化为碱基序列，写入镜像DNA，并将其成功读取。该研究成果以“使用高保真镜像Pfu DNA聚合酶实现生物正交的镜像DNA信息存储”（Bioorthogonal information storage in L-DNA with a high-fidelity mirror-image Pfu DNA polymerase）为题，昨日（7月29日）发表在Nature Biotechnology杂志（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-021-00969-6）。<img src="https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/13831000949/641"/>论文截图。镜子里的DNA“硬盘”什么样？它背后的“镜像生物学”技术，将给我们的生活带来哪些改变？一天与一年两段看似千篇一律的DNA，储存着同样的信息“Lotus Pond, Beijing（荷塘，北京）”，被放入从清华荷塘取的水样中，一段在24小时之内就消散的无影无踪，另一段则在一年后仍能被读取。原因只有一个：它们的手性差别。<img src="https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/13830971266/641"/>镜像DNA在情况水样中长时间储存信息。伸出你的双手，它们无法完全重合，左手和右手互为镜像。这就是手性，是自然界的基本属性之一。地球上的生命系统，对手性体现出神奇而执拗的“偏好”。险些全部构成自然卵白质的氨基酸都是左旋（L型）氨基酸，而构成自然DNA和RNA的核糖则都是右旋（D型）核糖。为什么这些构成生命的基天职子只有单一手性，如今还是未解之谜。朱听实行室的工作则是互换“左手”和“右手”，试图用L型核酸和D型卵白质，构建镜子里的生命系统，用于储存信息的镜像DNA由此而来。自然DNA储存信息，“天生”的短板在于极易被自然情况中的微生物及核酸酶降解，必须将DNA保存在低温或高度干净的情况中。但微生物及核酸酶却无法降解镜像DNA，通俗地比喻一下，左手右手一换，已往必须要消灭的“目的”，如今微生物和核酸酶认不出来了。认不出来镜像DNA的不但是微生物。朱听实行室还进一步开发了基于镜像DNA的信息隐写技术：将加密信息的密钥写入镜像DNA并混入自然DNA文库，使用自然DNA扩增与测序技术只能读取自然DNA中的错误密钥，只有使用对应的镜像DNA扩增与测序技术才能读取正确密钥并解码加密信息，这就意味着，镜像DNA存储信息，不但能进步DNA信息存储的稳固性，还能有效进步所携带信息的保密性，这也为镜像DNA在信息安全领域的应用提供了新的思绪。<img src="https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/13830971271/641"/>基于镜像DNA的信息隐写技术。更快、更高、更强、更团结镜像DNA信息存储着实是两步：信息先要能“写”进去，再要能“读”出来。但这两步都困难重重。自然DNA信息储存，从本质上来说，就是把数字化信息的“0”和“1”编码，变成由A、G、C、T（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶）这四种碱基按照差别的排列顺序编码来记录信息。可想而知，想要真正用来作“硬盘”，就需要DNA富足长或富足多，能容纳富足的信息。但是，镜子里的DNA，手性完全相反，这就意味着，对它的制备（“写”）和测序（“读”）无法依靠自然DNA的处理技术直接实现，一切需要“白手起家”。“写”和“读”的关键在于高保真的大型DNA聚合酶，而分子量在50 KDa（千道尔顿，分子量和构成聚合酶的氨基酸个数通常成正比）以上的大型镜像卵白质此前一直无法合成。朱听实行室接纳了分割卵白质计划辅助合成的战略，将全长为775个氨基酸的Pfu DNA聚合酶分割为长度为467个氨基酸和308个氨基酸的两个片段分别合成，将其混合后共同复性，使其正确折叠为具有完备功能的90 kDa高保真镜像Pfu DNA聚合酶。这也是现在已报道最大的全化学合成卵白质。<img src="https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/13830971269/641"/>使用分割卵白质计划辅助合成镜像Pfu DNA聚合酶。更高、更快、更强、更团结：使用更大的高保真镜像聚合酶，朱听实行室组装出长度在1500碱基对以上的长链镜像DNA，它已经超过了自然基因的匀称长度，这是一张富足大的用来“写”信息的“纸”。同时迭代的，还有镜像DNA的测序技术。针对镜像DNA的边合成边测序技术也被开发出来，和该实行室之前开发的化学测序技术相比，新技术在测序读长、正确性、可使用性等方面都具有明显上风。高效、高保真的“写”，轻巧实用的“读”，为实现镜像DNA信息存储创造了基本条件。“镜像天下”激动人心自然界中全部的生物都依照遗传信息“中央法则”：DNA被复制并转录成RNA，后者被翻译成卵白质。朱听体现他们的长远目的是:“从镜像中央法则出发，构建由镜像DNA、镜像RNA和镜像卵白质构成的镜像生物学系统。”更大的聚合酶，更长的镜像DNA，更便利的测序技术，一切都在为这个目的打下底子。现在，该实行室已经初步实现了镜像核酸的复制、转录、反转录等过程，并正在向构建镜像核糖体发起挑战。而镜像DNA储存信息，只是这个过程中一个应用的例子。构建“镜像天下”，还有大概让我们更能洞悉生命的本质。就像作者在论文中所说：我们从自然界中学到的关于自然生物分子的知识可以直策应用到“镜像生物学”系统里来。好比在化学合成镜像卵白质的过程中，他们需要将疏水氨基酸突变成亲水氨基酸，假如直接在镜像卵白质上尝试，合成成本和时间成本都太高。办理方法，就是先在自然系统中验证，假如对活性没有影响，再“平移”到镜像系统中，只要在自然系统中能收效，镜像系统就可以。这种“万试万灵”，细想起来激动人心。假如镜像系统和自然系统在机制上完全雷同，自然界为何云云执拗的选择了单一手性？地球上的生命在劈头时到底经历了什么？当我们在“镜像天下”中走得更远，一旦发现两者的差别，大概就能找到答案。而在如许的终极题目之外，“镜像生物学”对平凡人也有现实的意义。就像储存了信息的镜像DNA在荷塘水中不会被降解一样，人体同样不能降解镜像分子，使之在体内比自然分子更稳固。镜像核酸适体与镜像多肽药物因此有大概开发出一条治疗疾病的全新蹊径。正如被存入镜像DNA“硬盘”的巴斯德那段话里所说的那样：“The constitutive elements of all living beings would assume the opposite asymmetry. Perhaps a new world would present itself to our view.”（“假如构成生命的要素，能呈现相反的对称性，一个全新的天下，大概将呈如今我们面前。”）<img src="https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/13830971267/641"/>被存储进镜像DNA的巴斯德著作。

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