據外媒報導，我們的遺傳密碼在存儲數據方面的效率比現有的解決方案高幾百萬倍，而現有的解決方案成本非常高且使用大量的能源和空間。 事實上，我們可以擺脫硬碟，在幾百磅的DNA中儲存地球上所有的數字數據。

使用DNA作為高密度數據存儲介質有可能在生物感測和生物記錄技術及下一代數位存儲方面取得突破，但研究人員一直未能克服低效率這一障礙。 一旦能夠克服，該技術就能得到擴展。

現在，來自西北大學的研究人員提出了一種向DNA記錄資訊的新方法，這種方法只需幾分鐘而不是幾小時或幾天就能完成。 該團隊使用了一種新型的酶系統來合成DNA從而將快速變化的環境信號直接記錄到DNA序列中。 該論文的資深作者指出，這種方法可以改變科學家研究和記錄大腦內部神經元的方式。

這項名為《Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis》的研究於2021年9月30日發表在《Journal of the American Chemical Society》上。 論文的資深作者、西北工程學院的Keith E.J. Tyo指出，他的實驗室對利用DNA的自然能力來創造一種新的數據存儲解決方案非常感興趣。

論文的資深作者、西北工程學院教授Keith E.J. Tyo表示，他的實驗室對利用DNA的自然能力來創造一種新的數據存儲解決方案感興趣。 “大自然擅長複製DNA，但我們真的希望能夠從頭開始寫DNA。 體外（身體外）的方法涉及緩慢的化學合成。 我們的方法寫入資訊要便宜得多，因為合成DNA的酶可以直接被操縱。 最先進的細胞內記錄甚至更慢，因為它們需要回應信號的蛋白質表達的機械步驟，而我們的酶都是提前表達的且可以連續存儲資訊。 ”

Tyo是麥考密克工程學院化學和生物工程教授、是合成生物學中心（Center for Synthetic Biology）的成員，他在研究微生物及其感知環境變化並迅速做出反應的機制。

繞過蛋白質的表達

現有的將細胞內分子和數位數據記錄到DNA的方法依賴於將新數據添加到現有DNA序列的多部分過程。 為了產生準確的記錄，研究人員必須刺激和抑制特定蛋白質的表達，這可能需要超過10小時才能完成。

Tyo實驗室假設他們可以使用一種新方法–他們稱之為使用Tdt進行局部環境信號的時間敏感非範本化記錄（Time-sensitive Untemplated Recording，簡稱TURTLES）來合成全新的DNA，而不是複製它的範本，從而做出更快和更高解析度的記錄。

當DNA聚合酶繼續添加鹼基時，數據以分鐘為單位被記錄到遺傳密碼中，因為環境的變化影響了它所合成的DNA的組成。 環境的變化如金屬濃度的變化，被聚合酶記錄下來作為”分子滴答帶”並向科學家指出環境變化的時間。 使用生物感測器來記錄DNA的變化代表了證明TURTLES在細胞內使用的可行性的重要一步，另外還可能使研究人員有能力使用記錄的DNA來了解神經元如何相互溝通。

論文共同第一作者、Tyo實驗室的博士後研究員Namita Bhan指出：「這是一個非常令人興奮的概念證明，有朝一日可以讓我們同時研究數百萬個細胞之間的相互作用。 我不認為以前有任何直接的酶調製記錄系統的報導。 ”

從腦細胞到被污染的水

隨著可擴展性和準確性的更大潛力，TURTLES可以提供工具的基礎以推動大腦研究向前發展。 據論文共同第一作者、Tyo實驗室的研究生Alec Callisto介紹稱，研究人員只能用今天的技術研究大腦神經元的一小部分，即使如此，他們對自己的瞭解也是有限的。 通過在大腦的所有細胞內放置記錄器，科學家可以以單細胞的解析度繪製許多神經元對刺激的反應。

“如果你看看目前的技術是如何隨著時間的推移而擴展的，我們甚至可以在幾十年後用現有技術同時記錄整個蟑螂的大腦–更不用說人類大腦中的數百億個神經元了，”Callisto說道，”因此，這是我們真正想要加速的事情。 ”

在身體之外，TURTLES系統還可用於各種解決方案以解決數據存儲需求的爆炸性增長（等到2025年將達175兆位元組）。

它特別適合於長期的檔案數據應用如存儲閉路安全錄像，該團隊將其稱為「只寫一次，永不讀取」的數據，但需要在事件發生時能夠獲取。 有了工程師們開發的技術，保存著多年來心愛的攝像機記憶的硬碟和磁碟驅動器也可以被DNA位所取代。

在存儲之外，「滴答帶」的功能還可以被用作生物感測器來監測環境污染物，如飲用水水中的重金屬濃度。

雖然實驗室的重點是超越數位和細胞記錄的概念證明，但該團隊表示希望更多的工程師對這一概念感興趣並能用它來記錄對其研究很重要的信號。

“我們仍在建立健全細胞內記錄所需的基因組基礎設施和細胞技術，”Tyo說道，”這是實現我們長期目標的一個步驟。 ”