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DNA存储的敦煌壁画


　　本报讯 随着时间的推移，人类历史文化遗产面临着不可避免的老化和破损，如敦煌壁画等。为让子孙后代都能欣赏到这一壮美的历史画卷，我校合成生物学团队创新了DNA存储算法，将10幅敦煌壁画存入到DNA中，通过加速老化实验验证，壁画信息可在实验室常温下保存千年、在9.4℃下保存2万年。
　　该团队通过DNA合成技术结合纠错编码将壁画信息写入DNA中，实现了高密度的数据存储。但DNA作为一种链式生物大分子，在体外常温保存时面临DNA断裂降解等风险，严重影响了信息存储的长期可靠性，这是亟待解决的关键科学问题。为此，该团队设计了基于德布莱英图理论的序列重建算法来解决DNA断裂等问题。该算法结合贪婪路径搜索和循环冗余校验码来实现断裂DNA片段的高效从头组装，从原理上支持了DNA存储的长期可靠性。
　　结合该序列重建算法与喷泉码算法，该团队设计编码了6.88兆敦煌壁画，合成了承载图片信息的DNA片段21万条。为数据的长期可靠性，团队制备了一个没有任何特殊保护的DNA水溶液样本，并在70℃下加速样本断裂、降解长达10周。处理后的DNA片段80%以上都发生了断裂错误。依靠设计的序列重建算法他们依然可以准确组装并解码96.4%以上的片段，再通过喷泉码解决少量片段丢失的问题，原始的敦煌壁画图片依然能够完美恢复。根据理论推算，这种程度的高温破坏相当于实验室常温25℃1000年或9.4℃长达2万年的自然保存。
　　据悉，该算法支持DNA分子成为世界上最可靠的数据存储介质之一。该项技术为我们长期保存人类历史文化遗产提供了一个潜在的数字化解决方案。相关成果发表于《自然-通讯》杂志上。这也是继基于人工合成染色体的酵母体内信息存储模式取得突破后，我校合成生物学团队在DNA信息体外存储模式上又取得了一项重要突破。赵晖/文 敦煌/图