天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)表DNA信息存儲(chǔ)新進(jìn)展

中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)教育新聞網(wǎng)訊（記者 陳欣然 通訊員 趙暉）近日，天津大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)中心吳華明教授團(tuán)隊(duì)在DNA存儲(chǔ)領(lǐng)域取得新突破，提出了一種全新的DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)——HELIX，專門用于存儲(chǔ)生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，并成功實(shí)現(xiàn)了60MB的時(shí)空組學(xué)圖像的存儲(chǔ)與恢復(fù)。相關(guān)論文《使用HELIX進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)圖像的DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)》發(fā)表在國(guó)際期刊《自然—計(jì)算科學(xué)》上。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)存儲(chǔ)方式已經(jīng)逐漸無法滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代的需求。在此背景下，DNA信息存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過利用DNA分子存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，已經(jīng)被視為未來大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的潛力介質(zhì)。每克DNA能夠存儲(chǔ)數(shù)百艾字節(jié)的數(shù)據(jù)，并且在無需電力的情況下能夠保存長(zhǎng)達(dá)數(shù)千年。尤其在生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)領(lǐng)域，DNA存儲(chǔ)的潛力尤為顯著——其圖片數(shù)據(jù)分辨率高、存儲(chǔ)周期長(zhǎng)、且相似度強(qiáng)，具有巨大的應(yīng)用前景。

天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的HELIX系統(tǒng)包含3個(gè)核心模塊：圖像壓縮、圖像糾錯(cuò)編碼和圖像復(fù)原。針對(duì)DNA存儲(chǔ)過程中可能出現(xiàn)的堿基錯(cuò)誤，HELIX對(duì)現(xiàn)有壓縮算法進(jìn)行了優(yōu)化，大幅增強(qiáng)了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。同時(shí)，為了進(jìn)一步提升圖像解碼的成功率，團(tuán)隊(duì)還引入了深度學(xué)習(xí)技術(shù)，在圖像修復(fù)過程中顯著增強(qiáng)了信息恢復(fù)的能力。在濕實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)成功將兩張60MB的時(shí)空組學(xué)圖像編碼為13萬條、每條183個(gè)堿基的DNA序列，并通過DNA合成與測(cè)序技術(shù)，成功恢復(fù)了圖像數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HELIX系統(tǒng)具備強(qiáng)大的魯棒性，只需要約5.8倍的測(cè)序深度，即可恢復(fù)圖像的絕大部分信息。

該成果標(biāo)志著天津大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)中心團(tuán)隊(duì)在推動(dòng)DNA信息存儲(chǔ)技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用方面邁出了關(guān)鍵一步。該項(xiàng)研究由天津大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)中心與合成生物技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合完成。曲冠錦博士生為第一作者，吳華明教授為通訊作者。

采用DNA成功存儲(chǔ)兩張60MB的圖片 學(xué)校供圖