Nature子刊：基于DNA的数据结构系统

　　

纽卡斯尔大学(Newcastle University)的研究为我们如何将DNA转变为一种绿色设计的数据结构提供了重要的见解，这种数据结构像传统计算机一样组织数据。

由纽卡斯尔大学计算机学院的研究人员领导的这个团队，创造了新的动态DNA数据结构，能够以有序的方式从DNA分子中存储和回忆信息。他们还分析了这些结构是如何与外部核酸计算电路相连接的。

科学家们在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上发表了他们的发现，他们展示了一种使用DNA聚合物的堆栈数据结构的体外实现。作为一种DNA化学反应系统，堆栈系统能够记录两种不同的DNA信号(0和1)的组合，以相反的顺序将信号释放到溶液中，然后重新记录。

该堆栈是一种线性数据结构，它遵循操作执行的特定顺序，通过构建和截断单ssDNA链的DNA“聚合物”，以后进先出的顺序存储和检索信息(DNA信号链)。这种堆栈数据结构最终可能被嵌入到体内环境中，以存储信使rna，并逆转翻译反应的时间顺序，以及其他应用。

纽卡斯尔大学计算机学院的Natalio Krasnogor教授领导了这项研究，他解释说:“我们的文明是对数据的渴望，所有对信息处理的渴望对环境产生了强烈的影响。例如，数字技术的污染程度超过航空业，世界上排名前7000的数据中心使用了全球约2%的电力，我们都听说过一些加密货币的环境足迹。

“近年来，DNA已被证明是一种很好的存储数据的基质，而且DNA是一种可再生、可持续的资源。在纽卡斯尔，我们对可持续发展充满热情，因此，我们希望开始在DNA中进行绿色设计分子信息处理，而不仅仅是简单地存储数据。我们希望能够组织起来。在计算机科学中，数据结构是运行现代经济的所有算法的核心;这是因为您需要一种方法来对存储的数据进行统一和标准化的操作。这就是数据结构所支持的。我们是第一个证明现代信息时代这一关键组成部分的分子实现的人。”

该研究的合著者，纽卡斯尔大学合成生物学和生物经济中心的助理研究员Annunziata Lopiccolo博士补充说:“如果我们开始考虑数据存储，我们的脑海中立即浮现出电子芯片、USB驱动器和许多其他现有技术。但在过去几年中，生物学家对数据存储媒体部门提出了挑战，证明DNA本质作为一种高度稳定和弹性的介质，可以作为四元数据存储，而不是二元数据存储。在我们的工作中，我们想要证明使用四元码在可编程信号的形式下，以线性和有组织的数据结构来制作可读的输入和输出是可能的。我们的工作扩展了纳米级信息处理方面的知识。”

该研究的合著者、纽卡斯尔大学计算机学院讲师哈罗德?费尔曼博士补充说:“我们的生物分子数据结构，即数据和操作都由短片段DNA表示，已经在设计时考虑到了生物学实现。原则上，我们可以想象这样的设备可以用在活细胞中，比如细菌。这使得我们有可能将计算能力引入到那些目前用传统的基于硅的电子计算难以访问的领域。在未来，这种数据结构可能被用于环境监测、生物修复、绿色生产，甚至个性化纳米医学。”

该研究的合著者、纽卡斯尔大学计算机学院的副研究员本杰明·希尔特-埃迪斯博士说:“开发DNA化学的计算模型，并看到实验室得出的实验结果很好，这真的很有趣。”计算模型让我们真正掌握了DNA堆栈数据结构的性能——我们可以系统地探索它的绝对极限，并提出未来改进的途径。”

实验DNA堆栈系统证明了聚合DNA化学可以作为动态数据结构，以后进先出的顺序存储两种类型的DNA信号的原理。虽然还需要更多的研究来确定存档和获取基于dna的数据的最佳方法，但该研究强调了这项技术的巨大潜力，以及它如何帮助解决快速增长的数据需求。

原文参考：

Lopiccolo, A., Shirt-Ediss, B., Torelli, E. et al. A last-in first-out stack data structure implemented in DNA. Nat Commun 12, 4861 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25023-6