DNA存儲，已經顯示出在存儲密度、壽命和能耗方面，超越當前基于硅的數據存儲技術的潛力。

然而，通過從頭合成將大規模數據，直接寫入DNA序列，在時間和成本上，仍然不夠經濟實惠。

在此，來自美國亞利桑那州立大學的嚴浩、北京大學的張成、歐陽頎以及錢瓏等研究者提出了一種替代的并行策略，可以使用預制核酸在DNA上寫入任意數據。相關論文以題為“Parallel molecular data storage by printing epigenetic bits on DNA”于2024年10月23日發表在Nature上。

全球數據領域的快速擴展對大規模數據存儲提出了迫切挑戰，并急需更好的存儲材料。受自然界中基因信息保存方式的啟發，DNA因其卓越的存儲密度和耐久性，近年來被認為是數字數據存儲的有前途的生物材料。

在當前的DNA存儲中，數據通常被轉碼為核苷酸堿基序列，寫入過程依賴于全新合成，即核苷酸按照預定順序逐一添加。盡管全新合成技術在吞吐量和效率方面不斷進步，但串行合成過程本質上限制了寫入速度和合成DNA的長度，并阻礙了數據寫入成本的大幅降低。

為了實現高效的DNA存儲，必須尋找不依賴全新合成的替代數據寫入方法，這些方法應能夠并行且可編程地工作。實際上，已經提出了一些優雅的并行寫入設計，例如通過結構編程的DNA載體實現并行寫入，但結構不穩定和信息處理吞吐量有限等問題阻礙了這些方法的應用。

相比之下，在人體細胞中，表觀基因組在不變的基因組序列之上編碼了穩定的修飾信息。同樣，一個表觀編碼數據的系統可能足以在相同的DNA序列上實現長期信息存儲。

然而，當前體外的表觀遺傳信息并行寫入在數據選擇性上不夠靈活。因此，為了實現無合成的DNA數據存儲，一個能夠在通用DNA上編程任意表觀遺傳信息的框架是理想的選擇。

另一方面，DNA自組裝已經被廣泛研究，并能夠在納米尺度上實現精確的分子編程。DNA序列編程使得在大規模上對超分子結構進行并行且精確的控制成為可能。

之前的研究展示了使用數千種DNA鏈條在一次反應中編程多微米交叉DNA結構和線框DNA多面體的能力。

在此，受到自然表觀基因遺傳繼承和合成DNA自組裝的啟發，研究者開發了一種非傳統的DNA數據寫入框架，該框架基于DNA自組裝指導的酶促甲基化，能夠并行穩定地將任意表觀遺傳信息位（epi-bits）寫入DNA模板。

通過自組裝引導的酶甲基化，表觀遺傳修飾作為信息位，可以精確地引入到通用DNA模板上，以實現分子可移動型印刷。通過對有限的700個DNA可移動類型和5個模板進行編程，研究者在一個自動化平臺上實現了大約275,000位的無合成寫入，每個反應寫入350位。

以復雜表觀遺傳模式編碼的數據，通過納米孔測序高通量檢索，并開發了算法，每個測序反應可精細解析240個修飾模式。在表觀遺傳信息位框架下，60名缺乏專業生物實驗室經驗的志愿者實現了分布式和定制的DNA存儲。

研究者的框架提出了一種新的DNA數據存儲模式，它是并行的、可編程的、穩定的和可擴展的。這種非常規的模式為生物分子系統中的實際數據存儲和雙模式數據功能開辟了道路。

圖1 epi-bit DNA存儲示意圖。

圖2 選擇性epi-bti寫入的設計與驗證。

圖3 可編程DNA排版和并行epi-bit書寫。

圖4 通過一鍋測序擴大外位數據存儲和數據檢索。

圖5 利用epi-bits條形碼實現高并行度的大規模存儲。

圖6 定制和分布式epi-bit DNA存儲。

綜上所述，隨著DNA數據存儲進入商業化的曙光，epi-bit框架展示了具有預制模塊化的并行分子信息存儲的潛在方向。展開了廣泛的研究路線。例如，優化序列設計和甲基轉移酶效率將實現穩健和精確的數據寫入。

存儲密度可以進一步增加，通過納入各種DNA修飾與準確的檢測方法相匹配。最后，結合DNA自組裝輔助編程和無數的酶修飾，可以為實用和功能化的分子數據系統實現多樣化的DNA存儲和計算功能。

PS：對此，Nature期刊針對這項研究，特邀請 Carina Imburgia & Jeff Nivala兩位研究者，以“‘Do-it-yourself’ data storage on DNA paves way to simple archiving system”為題，發表了評論文章。由此可見，這篇文章的重要地位。