中合基因联合开发基于酶促DNA生物合成技术的自动化DNA数据存储平台

本研究采用中合基因自主开发的酶促DNA生物合成技术，进行两步循环酶促合成，通过在磁珠（MBs）上固定寡核苷酸并逐个添加3'-ONH2-dNTPs来实现单核苷酸的精确写入。为了确保序列的特异性，引入了加帽步骤，使用ddNTPs封堵未反应的3'-OH基团，防止非特异性延伸。 最后，合成的DNA通过琼脂糖封装在芯片上，以实现数据固定存储、防止DNA降解。相比当前主流的化学亚磷酰胺法DNA合成技术，酶促DNA合成技术在DNA“写入”长度、时间、成本方面均有巨大的挖掘潜力，尤其是其安全环保、易于小型化的特性，为本项目中DNA-DISK平台的顺利开发奠定了基础。

基于酶促DNA生物合成技术，研发团队整合了热响应琼脂糖封装、焦磷酸测序、数字液滴微流控（DMF）等技术，成功开发了桌面式自动化DNA数据存储平台DNA-DISK，实现了从数据编写到读取的一体化功能。

该平台由数字微流控（DMF）芯片和集成装置组成。DMF芯片由两层玻璃板组成，中间用聚氯乙烯胶带隔开并密封。集成装置具备磁控和区域温度调节功能，支持信息的自动书写、存储与读取，通过微型光电倍增管（PMT）模块实现测序信号的高灵敏度检测。此外，该平台还实现了磁性珠液滴的精确控制，实现8通道多路复用（8-plex multiplexing），包括分离、混合等操作。

研究团队基于上述技术路线及装备平台，将两个文本文件及一段《茉莉花》乐谱成功存储入DNA，并顺利读取。其中，乐谱文件被转化为8个不同的DNA寡核苷酸序列，在这8个DNA寡核苷酸序列中，共数字化存储了约228比特的信息，这意味着 每个寡核苷酸的逻辑密度达到28.53比特。8个寡核苷酸的平均分步产量保持在较高水平（97.67%） ，观察到的结果与合成序列完全吻合，说明所开发平台的高保真和高准确性。

与传统的亚磷酰胺化学方法相比，酶促DNA生物合成技术减少了所需的试剂种类和步骤数量，缩短了合成时间；消除了对有机溶剂和有毒废物的依赖；取消了对手套箱条件（如无水溶剂、干燥环境、气密性和惰性气体）的要求，从而大大降低了设备建设和维护的成本、提升了DNA合成的可操作性。

此外，利用中合基因的专利技术，基于ZaTdT的酶促DNA合成替代野生型TdT，实现了对正在增长的寡核苷酸链中的单核苷酸延伸过程的精准控制，这显著提升了信息写入的准确性、编码规则的灵活性以及数据存储容量（达到 28.53 位/寡核苷酸）。

文章共同通讯作者、中合基因董事长/总经理孙隽博士表示：“ 酶促DNA生物合成技术的优势，将为DNA合成领域带来革命性的变化。DNA合成技术的革新也将推动生物制造、生物医药等生命科学产业关键领域及DNA存储领域、DNA纳米材料等新应用场景的大发展。 DNA-DISK平台整合酶促DNA生物合成技术及自动化数字液滴微流控技术（DMF）在自动化、小型化DNA数据存储领域展现出显著的优势。这不仅为DNA数据存储技术的发展提供了新的方向，也为未来DNA硬盘驱动器的实现奠定了基础。随着酶促DNA生物合成技术的不断进步和优化，预计DNA-DISK平台将实现更高的存储容量和密度，有望超越现有的存储介质，引领数据存储技术的未来。”