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【生物工程】上海交通大学宋萍课题组JACS：智能核酸探针选择性擦除方法用于DNA数据存储

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2024-12-21 08:09

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近日， 上海交通大学 生物医学工程学院宋萍团队在 Journal of the American Chemical Society 期刊上发表研究论文，开发了一种 智能核酸探针杂交精准调控与CRISPR-Cas12a反式切割活性的选择性永久擦除方法（RSDISC），可用于实现存储信息的加密与保护 ，并在包括《三字经》、《道德经》、《孙子兵法》、 I have a dream 、上海交通大学庙门图片等多模态DNA存储近三万条序列上得到验证。

图1. 选择性擦除方法（RSDISC）的工作流程图

随着互联网、人工智能及其他信息技术的飞速发展，全球数据量预计将在2025年达到175 ZB。如何实现高效的大数据存储已成为亟待解决的瓶颈问题。DNA数据存储作为一种新兴的存储技术，凭借其超高的存储密度、安全性及长期稳定性，被广泛认为是应对大数据存储需求的理想方案。然而，尽管DNA存储展现出巨大潜力，当前在数据安全方面仍面临诸多挑战。特别是在大数据存储中，如何设计高度安全的加密系统以保护敏感信息，及如何实现数据的永久删除，依然是亟待攻克的难题。

近期，上海交通大学宋萍课题组构建了一种基于Cas12a反式切割活性和引物-模板智能核酸选择性杂交的方法实现了在DNA存储中高灵敏、高特异性地永久擦除目标信息（图1）。该方法通过智能核酸杂交设计及调控，构建目标文件对应的反向引物选择性杂交并扩增为双链，从而实现对目标文件的保护；同时，激活的Cas12a复合物切割未被保护的单链DNA，实现数据的精确擦除。通过进一步优化核酸杂交热力学和Cas12a切割活性的条件，研究者在由28,258条寡核苷酸组成的包括图片和文字在内的多模态DNA存储体系中验证了该方法具有高达99.9%的擦除效率和99.5%的特异性。该方法不仅可用于保护敏感数据，还能在大数据存储过程中实现内存清理、文件分类，并提高测序准确性，并可拓展在分子诊断等领域的广泛应用。

图2. 单重体系中RSDISC方法的切割效果

研究者首先在单重体系中验证了该方法的可行性（图2）。通过设计两种Cas12a激活体系以评估其对单一模板的切割效率，并进一步分析了这两种体系在不同GC含量、长度和复杂二级结构修饰的单链DNA上的表现。实验结果表明，该方法能够高效切割多种类型的单链DNA，切割效率最高可达99%。随后，通过将该方法应用于具有模板相互作用的复杂多重体系，发现所有模板的切割效率均超过90%（图3）。此外，为评估RSDISC技术在大规模数据清理中的应用潜力，基于热力学杂交原理的模拟结果表明该方法能擦除高达158亿个文件，相当于10 PB的数据量。

图3. 多重体系中RSDISC方法选择性切割的效果

为了验证RSDISC方法在实际存储体系中的效果，作者进一步编码并存储包括《三字经》、《孙子兵法》、《道德经》、上海交通大学庙门图片、《蒙娜丽莎》等在内的七个文件于近三万条DNA序列中。实验结果表明，RSDISC方法的寡核苷酸擦除效率高达99.9%，擦除特异性为99.5%（图4），有效证明了该方法在高效擦除非目标文件信息的同时，几乎不会影响靶向保留的信息。这项工作为DNA存储提供了高效可靠的信息加密方案，未来将在大规模数据存储和提升数据处理效率方面发挥重要作用。

图4. 实际存储体系中选择性擦除文件的效果

上海交通大学生物医学工程学院博士研究生 沈虹雨 是该论文的第一作者，宋萍副教授为通讯作者。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市教育委员会“青年领军人才培养计划”项目等的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Random Sanitization in DNA Information Storage Using CRISPR-Cas12a

Hongyu Shen, Zhi Weng, Haipei Zhao, Haitao Song, Fei Wang, Chunhai Fan, Ping Song*

J. Am. Chem. Soc. , 2024 , DOI: 10.1021/jacs.4c11380

宋萍博士介绍

宋萍，上海交通大学生物医学工程学院长聘教轨副教授。2016年毕业于中科院上海应用物理研究所，师从樊春海院士；2016年至2021年在美国莱斯大学从事博士后研究；2021年9月加入上海交通大学。

研究领域是智能核酸探针高通量设计及应用，围绕肿瘤诊断及DNA数据存储开展多项应用研究，包括第一及通讯作者发表的 Nat. Chem., Nat. Biomed. Eng, Nat. Commun., JACS, Angew. Chem. 等多项成果。主持和参与科技部重点研发项目，国自然面上项目，上海市医学创新研究专项等基金，指导学生多次参加全国大学生创新创业大赛并获得金奖。

【生物工程】上海交通大学宋萍课题组JACS：智能核酸探针选择性擦除方法用于DNA数据存储

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