人類社會(huì)高速發(fā)展產(chǎn)生的海量信息使傳統(tǒng)磁、光介質(zhì)的信息存儲(chǔ)能力受到巨大挑戰(zhàn)。DNA因具有信息存儲(chǔ)密度高、保存時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新一代信息存儲(chǔ)介質(zhì)。

　　清華大學(xué)生命學(xué)院教授朱聽(tīng)團(tuán)隊(duì)通過(guò)近5年的研究探索，全化學(xué)合成了分子量達(dá)90 kDa的大型鏡像蛋白質(zhì)：Pfu DNA聚合酶，利用該高保真鏡像聚合酶組裝出千堿基長(zhǎng)度的長(zhǎng)鏈鏡像DNA，并開(kāi)發(fā)了基于鏡像DNA的信息存儲(chǔ)技術(shù)。相關(guān)研究成果于7月29日發(fā)表在《自然-生物技術(shù)》雜志。 

　　當(dāng)前，DNA信息存儲(chǔ)技術(shù)均以天然DNA為介質(zhì)，但其極易被自然環(huán)境中的微生物及核酸酶降解，且不利于在開(kāi)放環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存放。與天然DNA手性相反的鏡像DNA不僅具有相同的高信息存儲(chǔ)密度，還具有獨(dú)特的生物正交性，不易被微生物及核酸酶降解。

　　如人的左手與右手互為鏡像對(duì)稱關(guān)系、無(wú)法完全重疊一樣，自然界中一些分子也具有與其鏡像對(duì)映體不能重合的特征，這一特征被稱為“手性”，這類分子被稱為“手性分子”。核糖與氨基酸均為手性分子，因此其構(gòu)成的核酸與蛋白質(zhì)等生物大分子均具有手性，且構(gòu)成生命體的核酸和蛋白質(zhì)的手性是均一的，即天然核酸皆由D型（右旋）核糖組成，天然蛋白質(zhì)幾乎皆由L型（左旋）氨基酸組成。

　　與天然DNA信息存儲(chǔ)技術(shù)相同，鏡像DNA信息存儲(chǔ)技術(shù)主要包括信息的“寫入”與“讀取”兩個(gè)過(guò)程，需要高保真鏡像DNA聚合酶來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)。然而，受限于已有的蛋白質(zhì)與核酸化學(xué)合成技術(shù)，分子量在50 kDa以上的大型鏡像蛋白質(zhì)和長(zhǎng)度在150 bp以上的長(zhǎng)鏈鏡像DNA的有效合成一直未能實(shí)現(xiàn)，長(zhǎng)期制約著鏡像生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展及該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

　　研究者提出利用分割蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)輔助合成的策略，突破了全化學(xué)合成對(duì)蛋白質(zhì)大小的限制，獲得了目前已報(bào)道最大的全化學(xué)合成蛋白質(zhì)，研究者還利用該高保真鏡像聚合酶組裝出長(zhǎng)達(dá)1.5 kb的鏡像16S核糖體RNA基因，為目前已報(bào)道最長(zhǎng)的鏡像DNA。研究者首次使用的大型鏡像蛋白質(zhì)全化學(xué)合成策略及千堿基長(zhǎng)度鏡像基因的組裝技術(shù)，解決了長(zhǎng)期制約鏡像生物學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的大型鏡像生物分子的制備難題，為后續(xù)構(gòu)建鏡像蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)完整的鏡像中心法則及拓展鏡像生物學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　研究者開(kāi)發(fā)了基于鏡像硫代磷酸DNA的鏡像DNA邊合成邊測(cè)序技術(shù)，新技術(shù)在測(cè)序讀長(zhǎng)、準(zhǔn)確性、可操作性等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。研究者將巴斯德于1860年首次提出“鏡像生物學(xué)世界”這一概念的文字轉(zhuǎn)換為堿基序列寫入鏡像DNA文庫(kù)中，并從鏡像DNA中準(zhǔn)確讀取了該文本信息，從而實(shí)現(xiàn)了鏡像DNA信息存儲(chǔ)。研究者還開(kāi)發(fā)了基于鏡像DNA的信息隱寫技術(shù)，可以有效提高DNA所攜帶信息的保密性，為鏡像生物學(xué)系統(tǒng)在信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。

　　朱聽(tīng)介紹，團(tuán)隊(duì)致力于從遺傳信息中心法則出發(fā)，利用化學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科手段構(gòu)建與天然生物分子手性相反的“鏡像生物學(xué)系統(tǒng)”。至今，該課題組已初步實(shí)現(xiàn)了鏡像中心法則中的鏡像核酸復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、反轉(zhuǎn)錄等過(guò)程，開(kāi)發(fā)了鏡像PCR、鏡像核酸測(cè)序等技術(shù)，目前正在著力構(gòu)建鏡像蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)完整的鏡像中心法則，并嘗試拓展鏡像生物學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41587-021-00969-6