DNA：新型分子信息材料

　　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(xué)名詞之一。然而在中國科學(xué)院院士、上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院院長樊春海近期的研究中，DNA不再只是遺傳物質(zhì)的載體，而是依據(jù)“框架核酸”的概念，通過人工設(shè)計(jì)，成為尺寸、形貌和力學(xué)特性可控的新型分子信息材料，提供生命分析化學(xué)的新工具。

　　為生命分析化學(xué)提供新工具

　　DNA固有的雙螺旋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)里，A和T配對，G和C配對，利用DNA堿基互補(bǔ)的特性，兩條配對的DNA鏈可以像拉鏈一樣形成雙鏈，并進(jìn)一步扭曲成雙螺旋結(jié)構(gòu)。

　　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(xué)自組裝過程的設(shè)計(jì)、調(diào)控與剪裁，構(gòu)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(jié)構(gòu)精確、尺寸形貌可控、力學(xué)特性可調(diào)等特點(diǎn)，成為一種新的分子信息材料，成功實(shí)現(xiàn)了高靈敏的生物分子傳感檢測和活細(xì)胞生物成像分析，可為生命分析化學(xué)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(jié)構(gòu)，不容易被體內(nèi)的外切酶降解，能更加準(zhǔn)確高效地進(jìn)入細(xì)胞，向人體內(nèi)遞送靶向藥物。“此外，我們還可以利用不同形式的DNA結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)植物體內(nèi)的檢測、成像和基因編輯。在不遠(yuǎn)的未來，框架核酸有望在生物醫(yī)學(xué)、基因育種、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、信息存儲(chǔ)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。”樊春海表示。

　　為信息存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)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(shù)的發(fā)展和普及，這一數(shù)字還在不斷增長，到2025年預(yù)計(jì)達(dá)175ZB。

　　樊春海表示，DNA可以儲(chǔ)存生命信息，同樣可以儲(chǔ)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(chǔ)材料。數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在上述字母的序列中，從而把DNA變成一種新的信息技術(shù)形式。簡單來說，DNA存儲(chǔ)原理就是將DNA分子中的堿基序列與存儲(chǔ)信息編碼一一對應(yīng)，將文字、圖片、聲音等信息轉(zhuǎn)化為DNA序列進(jìn)行存儲(chǔ)。

　　DNA存儲(chǔ)信息具有存儲(chǔ)密度高、穩(wěn)健性強(qiáng)的特性。與傳統(tǒng)的電子存儲(chǔ)技術(shù)相比，DNA存儲(chǔ)技術(shù)有望把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的極限提高7個(gè)數(shù)量級，在我國“十四五”科技規(guī)劃中，DNA存儲(chǔ)入圍2035前沿技術(shù)。樊春海表示：“在未來5~15年，中國科學(xué)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)?！保◤埮d剛）

　　轉(zhuǎn)自：中國化工報(bào)

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