近期，南京理工大学邓盛元教授、万莹教授、满天天等人提出了一种基于数字微流控的集成式DNA数据存储系统，能够实现从DNA合成到测序的全过程，并以南京理工大学校训为例成功存储和提取信息，整个过程耗时约6.5小时，存储速度远快于之前报道的方法。相关研究以“Bead-Based DNA Synthesis and Sequencing for Integrated Data Storage Using Digital Microfluidics”为题目，发表在期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。

本文要点：

1、本研究开发了一种基于数字微流控（DMF）的紧凑型DNA存储平台，能够完成从DNA合成到测序的全过程。

2、采用磷酰胺化学在200nm的磁珠上进行DNA合成，并通过聚合酶催化的引物延伸进行测序，释放的焦磷酸会导致可计数的化学发光信号。

3、通过DNA变性和重复测序结合多数投票法，将碱基准确率提高到95%以上。

4、作为概念验证，研究利用霍夫曼编码和里德-所罗门纠错码将语义信息存储于DNA中，并成功读取。

5、整个过程耗时约6.5小时，存储速度达49分钟/字节，显著快于此前报道的2.8～4.2小时/字节。

6、这种基于磁珠的小型化设备为实现高通量、全集成和高精度的DNA存储提供了一种无人值守的解决方案，具有广阔的应用前景。

使用DNA作为数据存储介质的优势包括：

1、高存储密度：DNA能够以极高的密度存储信息，理论上每克DNA可以存储约17艾字节（Exabytes）的数据，远超传统存储介质的容量。

2、长存储寿命：在适当的冷藏条件下，DNA可以稳定保存数千年，远超磁性、光学或电子存储介质的寿命。

3、低能耗：DNA存储的能耗相对较低，适合大规模数据存储。

4、小型化与便携性：DNA存储介质体积极小，可实现超高密度的数据存储，便于运输和保存。

5、信息稳定性：DNA分子具有高度稳定的化学性质，不易受到环境因素（如温度、湿度等）的影响。

6、信息安全性：DNA存储可以提供更高的安全性，适合存储敏感信息，减少数据泄露的风险。

7、可扩展性：DNA存储技术具有良好的扩展潜力，适用于从大规模云存储到个性化数据存储的多种场景。

8、生物兼容性：DNA作为天然分子，与生物系统高度兼容，可用于未来的生物计算和生物信息存储。

这些优势使得DNA成为下一代数据存储介质的理想选择，尤其是在数据量快速增长的背景下。

数字微流控平台通过以下方式提高了DNA合成和测序的效率：

1、集成化流程：该平台将DNA合成和测序过程集成在一个系统中，简化了操作流程，减少了手动干预和设备切换的需要。

2、滴液操控：利用数字微流控技术，可以精确操控微升至皮升级别的液滴，允许在微小体积内进行化学反应，从而提高反应效率和反应条件的可控性。

3、快速合成和测序：该平台实现了从DNA合成到测序的全流程，整个过程仅需约6.5小时，存储速度为49分钟/字节，显著快于之前的方法（2.8～4.2小时/字节）。

4、高精度：通过使用多次测序和多数投票的方式，平台能够实现高达100%的文本准确率，结合Reed-Solomon纠错码，进一步提高了数据的可靠性。

5、减少试剂消耗：数字微流控技术的使用使得试剂的消耗量大幅减少，降低了成本并提高了环境可持续性。

6、灵活配置：该平台的设计支持灵活配置和快速调整实验条件，适应不同的实验需求。

综上所述，数字微流控平台通过集成化、精确操控、快速反应和高效利用资源，显著提高了DNA合成和测序的效率。

图1.数据存储系统的示意图，突出了DMF环境中基于微珠的DNA化学合成到焦磷酸测序的特征。

图2.DMF盒的结构表征。

图3.DMF上DNA合成的表征。

图4.DMF上基于微珠的DNA测序。

图5.基于DMF的DNA存储在保存和获取南京理工大学校训作为一条具体数据中的应用。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202416004