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为解决合成基因组材料真实性与完整性验证难题，研究人员开发 “Genome Signature” 系统。利用 Golomb 标尺衍生的 Genome-Comb 算法，将长链核苷酸序列映射至内源性基因密码子，在大肠杆菌中实现 450 万核苷酸基因组编码，可自主纠错并追踪序列迁移，为合成生物学安全与知识产权保护提供新工具。
在生命科学领域，合成基因组技术正以前所未有的速度革新着生物医药、生物制造和农业等领域。然而，随着人工改造生物体的广泛应用，未经授权的基因材料使用、基因组污染以及知识产权保护等问题日益凸显。传统的 DNA 标签和水印技术因突变耐受性低、数字编码能力不足，难以有效验证基因组的完整性和真实性。例如，插入外源标签序列可能改变基因组功能，且非功能性标签在细胞复制中易因突变丢失信息。如何在不影响基因组正常功能的前提下，实现对其身份的自主验证和长期追踪，成为合成生物学领域亟待攻克的关键科学问题。
为应对这一挑战，天津大学化工学院与武汉大学网络科学与工程学院等机构的研究人员合作，在《Communications Biology》发表了题为 “Self-authenticating genomic materials in Escherichia coli via advanced genome signatures” 的研究论文。团队开发了一种名为 “基因组签名（Genome Signature）” 的新型 DNA 标记系统，通过模拟电子文档中的数字签名原理，在大肠杆菌基因组中构建了具有自我验证能力的生物化学稳定标签，为合成基因组的安全管理和知识产权保护提供了突破性解决方案。
研究团队采用了多项关键技术方法：首先开发了基于 Golomb 标尺的基因组梳哈希映射算法（Genome-CHM），该算法结合改进混合基数编码（mMRC）和定向哈希自适应密码子映射（ACM），将基因组身份信息和突变校正码编码至内源性基因的密码子中。通过调整密码子使用频率，在不改变基因功能的前提下实现高密度信息存储。其次，利用 Golomb 标尺的独特数学特性，设计了基因组梳（Genome-Comb）结构，可高效扫描数百万核苷酸序列，生成唯一哈希值以追踪序列变异。此外，通过在大肠杆菌 BL21 (DE3) 和 Nissle 1917 菌株中进行多基因编码实验，验证了系统在不同基因组背景下的稳定性和可扩展性。
结果分析
基因组签名的编码与验证机制
研究表明，Genome-CHM 算法可将长达 450 万核苷酸的大肠杆菌基因组编码至内源性基因的密码子顺序中。通过在基因 5' 端构建数据标签（DT），并利用基因组映射存储（GMS）区域实现突变校正，该系统可在无需参考序列的情况下，通过解码标记（DM）独立验证基因组完整性。实验显示，含 10 个基因组签名的大肠杆菌菌株生长稳定，且即使签名片段转移至异源基因组，仍可通过 DM 解码识别。
突变校正与碰撞率评估
在模拟测试中，基因组签名成功识别并校正了数百个随机核苷酸突变。通过计算 DM 解码的碰撞率，发现当 DM 包含 30 个密码子时，碰撞率低至 2-32，达到电子文档数字签名的安全标准。质量保证评分（QA-score）机制可准确定位突变位点，单核苷酸突变的识别准确率超过 99.9%，且能区分替换突变与插入 / 缺失（indels）突变。
多基因编码与跨基因组追踪
通过在 10 个关键基因中编码基因组签名（共 7552 个密码子），构建了多层嵌套的编码结构，显著提升了系统的稳定性和容错性。即使在含 100 个编码基因的复杂基因组中，仍能通过迭代解码校正数百个突变。此外，将大肠杆菌 Nissle 1917 的 7035 nt 片段插入 BL21 基因组及澳大利亚肺鱼的 34.5 Gb 基因组后，基因组签名仍能准确追踪序列迁移，证明其在跨物种和超大基因组中的适用性。
结论与讨论
基因组签名技术突破了传统 DNA 标签的局限性，通过将认证信息嵌入内源性基因的密码子顺序，实现了基因组真实性与完整性的自主验证。其核心优势包括：（1）利用密码子冗余性实现高密度编码，不改变基因组大小和功能；（2）基于 Golomb 标尺的数学特性，提供强大的突变校正和序列追踪能力；（3）多基因编码策略增强了系统的鲁棒性，可应对长期进化中的遗传变异。
该研究为合成生物学领域提供了首个具有 “数字签名” 特性的基因组管理工具，不仅可用于防止未经授权的基因材料使用，还能监测转基因生物的水平基因转移风险，为生物安全监管提供技术支撑。尽管在插入 / 缺失突变的处理效率和计算成本方面仍有优化空间，但基因组签名系统已展现出在工业菌株认证、知识产权保护和生态风险防控中的广阔应用前景。随着算法的进一步优化和在枯草芽孢杆菌、酿酒酵母等模式生物中的推广，该技术有望推动合成基因组标准化管理平台的建立，加速合成生物学从实验室走向实际应用的进程。
