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近日，分子医学研究院左小磊团队在《Matter》（Cell Press，IF = 17.3）上发表题为“Massively multiplexed optical recording with polychromatic DNA frameworks”的最新研究。该研究开发了一种基于DNA四面体结构的多色框架核酸（PDTF），该结构实现了对其光物理性质的精确调控，并展示出DNA框架结构作为下一代大数据存储介质在大规模多路复用光学存储领域的巨大应用潜力。
该研究紧扣国家“十四五”规划中加快布局的“DNA存储”前沿领域，为海量数据存储奠定技术基础。
近年来，全球数据量呈现爆发式增长，研究表明到2040年全球存储数据量将达到10的24-28次方字节。在医疗领域，每天都在生成海量数据——一幅CT图像的数据量超过100 MB，而一幅病理图像的数据量更是超过1 GB。对于一个中大型三甲医院，每天产生的数据量高达几TB，据此估算，一个医院的数据量可在3年内快速累积至PB级（1PB为1千万亿字节，需用1024块1 TB的硬盘存储）。此外，国家卫健委发布的《电子病历应用管理规范（试行）》明确规定，门（急）诊电子病历（包括医疗活动中使用信息系统生成的文字、符号、图表、图形、数字、影像等数字化信息）保存时间不得少于15年，而住院电子病历的保存时间则不得少于30年。这给当代存储技术（光盘、硬盘等）带来巨大挑战。因此，亟需发展适合海量数据存储以及长期存储的下一代存储技术。与磁带和硬盘等技术相比，光学数据存储提供了更高的存储容量和能源效率。然而，当前商用光学数据存储设备（如 CD、DVD、蓝光光盘）的特征点尺寸（pit size）和特征点间距（pitches）已达到物理极限，阻碍了存储容量的进一步提高。
基于单纳米颗粒的光学多路复用策略能在一定程度上提高数据存储密度，然而，单纳米颗粒在尺寸、形状、表面基团和电荷等方面具有异质性，导致其光物理性质不可控。因此，目前开发的基于纳米颗粒的光学多路复用技术无法产生多维度正交数据通道以满足大规模数据存储的需求。
图1 ：多色框架核酸（PDTF）应用于光学数据存储
为了应对上述挑战，研究团队开发了系列高度可编程的多色框架核酸（PDTF），实现了其光学性能的精确控制并将其应用于大规模多路复用光学数据存储。PDTF应用于光学数据存储领域具有两大优势：一是PDTF具有高度可编程性，可以实现其尺寸12.6 nm~3.4 nm的精确调控（图1）；二是PDTF能够在单分子水平上对PDTF发光特性进行精准调控，该研究编码了4700万种存储基元，进一步实现了多路复用光学数据存储（图1）。此外，PDTF表现出卓越的可擦除-重写性和稳定性（按阿伦尼乌斯方法估算，室温下保存10,826年，远高于目前商用存储介质的存储寿命），在高密度和长期数据存储应用中展现出巨大潜力。
上海交通大学医学院分子医学研究院博士后宋璐，上海市计量测试技术研究院郭瑞妍博士，分子医学研究院助理研究员潘莉为该论文共同第一作者，分子医学研究院研究员左小磊，副研究员李敏、叶德楷为该论文共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.10.020
上海交通大学医学院附属仁济医院
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