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让敦煌壁画再“活”两万年！我国科学家创新DNA存储算法可让信息保存千年万年
【导读】
信息技术出现并不断发展以后，数据真正成为了一种新型生产资料，不过，它的爆炸式增长也让存储成为新的挑战，基于硅材料的计算机存储方式逐渐变得难以应对。在此背景下，积极探索 DNA 存储以作为下一代的数据存储方式意义重大。
DNA 是一种非常稳定的分子，半衰期超过 500 年，低温条件下可保存成千上万年。而目前的磁或光数据存储系统保存数据一般不能超过一个世纪。除了稳定性，DNA 存储数据的另一大优点是存储密度。DNA 信息存储密度的数量级是已知任何存储技术的若干倍。2021 年 12 月，东南大学教授就曾将校训“止于至善”-“Rest in the highest excellence”刻在 DNA 分子里。
近日，天津大学合成生物学团队又创新 DNA 存储算法，将上述十幅敦煌壁画存入 DNA 中，通过加速老化实验验证壁画信息在实验室常温下可保存千年，在 9.4°C 下可保存两万年。
具体做法如下：首先，团队通过 DNA 合成技术结合纠错编码将壁画信息写入到 DNA 中，实现了高密度（295 PB/g，1 PB = 1024 TB）的数据存储。然而，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，影响信息存储的长期可靠性。
为解决该问题，团队设计了基于德布莱英图理论的序列重建算法。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（内码）与喷泉码算法（外码），团队设计编码了 6.8 MB 敦煌壁画，合成了承载
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°C 下加速样本断裂、降解长达十周。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
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°C 一千年或者 9.4°C 长达两万年的自然保存。
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。这项技术为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。
当然，不仅在学术界，工业界 DNA 存储也取得了很大进展。由中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所副所长创立的于 2021 年 5 月成立，成立之初，就获得了数千万元人民币天使轮融资。近日，法国初创公司 也开发了一种 DNA Drive 存储技术，可利用合成生物学将 5PB 的数据存储在“金属胶囊”中，并可通过 DNA 测序仪读取。
论文信息：
标题：Robust data storage in DNA by de Bruijn graph-based de novo strand assembly
出版信息：Nature Communications，12 September 2022
DOI：10.1038/s41467-022-33046-w
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我国学者在月表中纬度太阳风成因水方面取得进展
【导读】
中国科学院国家空间科学中心徐于晨副研究员与中国科学院地质与地球物理研究所田恒次副研究员、林杨挺研究员等合作，在月表中纬度太阳风成因水方面取得进展。研究成果以“嫦娥五号月壤揭示月表中纬度高含量太阳风成因水”为题，发表在《美国国家科学院院刊》上。
前人通过对遥感光谱探测的研究，发现月表OH/H2O的含量与纬度可能存在正相关性，即从赤道向两极，随着纬度增加水含量逐渐增加，在极区达到最高。另外，研究还发现月表同一个地区早中晚水含量也有明显的变化，日变化可高达200 ppm，推测是太阳风成因水在月球表面较高的丢失速率所致。美国阿波罗和苏联月球号采集的月球样品均位于低纬区域（8.9°S-26.1°N），难以研究纬度（以及相关的月表温度）对月表水含量可能产生的影响。我国嫦娥五号于2020年底成功着陆在月球，并采集返回了1.731 kg月壤样品。嫦娥五号的着陆点位于北纬43.06°，高于阿波罗和月球号的9个着陆区。此外，嫦娥五号着陆区玄武岩的年龄最年轻，约为20亿年。如此年轻、中纬度区域的月壤样品，使我们有机会能对太阳风的演化、月表水循环和迁移等方面开展研究。
研究团队利用纳米离子探针-透射电镜分析技术对从两份月壤中挑选的17个颗粒进行了氢含量和同位素分析以及微观结构研究。结果表明嫦娥五号月壤颗粒的最表层（～100 nm）具有很高的氢含量（意味着具有很高的水含量），比以往认为的要高。结合其极低的D/H同位素比值，证明这些氢是来自太阳风注入。
根据测定的氢含量以及月壤样品的粒径分布，估算嫦娥五号着陆区太阳风来源水含量为46 ppm，这与遥感数据结果一致。另外，研究人员对部分颗粒进行了加热实验，再进行纳米离子探针分析。结果显示，太阳风注入的氢在颗粒表层可以很好地保存下来。基于嫦娥五号数据和阿波罗已有的实验数据，联合团队构建了太阳风注入和扩散丢失的动态平衡模型。该模型预测高纬度区域月壤颗粒可能含有更高的太阳风成因水，这种类型的水可通过粒度分选和加热方式，比较容易开采利用。
论文信息：
标题：High abundance of solar wind-derived water in lunar soils from the middle latitude
出版信息：PNAS，12 December 2022
DOI：10.1073/pnas.2214395119
转自：“科研之友 ScholarMate”微信公众号
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