脫氧核糖核酸(DNA)作為“生命的密碼”,已經(jīng)成為我們最熟知的科學名詞之一。然而在中國科學院院士、上海交通大學化學化工學院院長樊春海近期的研究中,DNA不再只是遺傳物質的載體,而是依據(jù)“框架核酸”的概念,通過人工設計,成為尺寸、形貌和力學特性可控的新型分子信息材料,提供生命分析化學的新工具。
為生命分析化學提供新工具
DNA固有的雙螺旋結構廣為人知,通過核苷酸ATCG堿基的精密配對與無限排列組合承載了龐大的生命遺傳信息。在DNA結構里,A和T配對,G和C配對,利用DNA堿基互補的特性,兩條配對的DNA鏈可以像拉鏈一樣形成雙鏈,并進一步扭曲成雙螺旋結構。
樊春海率先在國際上提出了“框架核酸”的概念,通過對氫鍵配對、堿基堆積和形狀匹配等化學自組裝過程的設計、調控與剪裁,構建了一系列框架核酸組裝體。
通過DNA編程自組裝的框架核酸具有結構精確、尺寸形貌可控、力學特性可調等特點,成為一種新的分子信息材料,成功實現(xiàn)了高靈敏的生物分子傳感檢測和活細胞生物成像分析,可為生命分析化學提供新工具。
和傳統(tǒng)的DNA相比,DNA框架核酸具有更穩(wěn)定的結構,不容易被體內的外切酶降解,能更加準確高效地進入細胞,向人體內遞送靶向藥物?!按送猓覀冞€可以利用不同形式的DNA結構,實現(xiàn)動植物體內的檢測、成像和基因編輯。在不遠的未來,框架核酸有望在生物醫(yī)學、基因育種、精準農(nóng)業(yè)、信息存儲等多個領域發(fā)揮重要作用?!狈汉1硎尽?/p>
為信息存儲提供變革材料
目前,全球信息數(shù)據(jù)總量呈現(xiàn)爆炸式增長,從人力、物力、能源等角度來看,現(xiàn)有基于硅的計算機儲存結構未來難以滿足數(shù)據(jù)日益增長的趨勢。2020年全世界的數(shù)據(jù)量是44ZB。隨著互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等技術的發(fā)展和普及,這一數(shù)字還在不斷增長,到2025年預計達175ZB。
樊春海表示,DNA可以儲存生命信息,同樣可以儲存數(shù)據(jù)信息。由核苷酸ATCG的長鏈組成的DNA,是生命世界的信息存儲材料。數(shù)據(jù)可以存儲在上述字母的序列中,從而把DNA變成一種新的信息技術形式。簡單來說,DNA存儲原理就是將DNA分子中的堿基序列與存儲信息編碼一一對應,將文字、圖片、聲音等信息轉化為DNA序列進行存儲。
DNA存儲信息具有存儲密度高、穩(wěn)健性強的特性。與傳統(tǒng)的電子存儲技術相比,DNA存儲技術有望把數(shù)據(jù)存儲的極限提高7個數(shù)量級,在我國“十四五”科技規(guī)劃中,DNA存儲入圍2035前沿技術。樊春海表示:“在未來5~15年,中國科學家可以拿著一管DNA告訴全世界,我們這里面記錄的是全世界所有的數(shù)據(jù)。”(張興剛)
轉自:中國化工報
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