一、   DNA存储背景：

随着全球数据产出的爆炸式增长，现有主流存储技术已无法满足数据存储的需求，寻求新的存储介质和模式已然成为亟待攻克的关键难题。DNA存储技术是生物技术与信息技术共同发展的成果，开辟了一种新的存储模式。DNA存储技术的发展对于节省存储资源及推进大数据存储将起到重要作用。相较于传统存储介质，DNA在数据存储方面具有存储密度高、保存寿命长、维护成本低等优势，有望解决大数据时代电子信息技术对海量数据的有效存储和管理面临的困境。近几年来，随着微软、华盛顿大学、哈佛大学等众多研究机构和公司的加入，DNA存储领域正取得飞速发展。但是，常规随机访问技术在DNA存储数据读取过程中面临目标DNA片段的特异性识别与提取效率低下及靶向扩增存在显著的序列偏好性的关键技术瓶颈。因此，开发高通量的快速读取技术已成为推动DNA存储从概念验证走向实际应用的关键研究方向。

二、   文章简介：

针对上述问题，本团队开发了超快速DNA随机访问读取装置。该微流控磁珠PCR的DNA存储随机访问新技术被命名为MMBP（Microfluidic Magnetic Beads PCR）。MMBP由PTC加热板和聚四氟乙烯毛细管组成。研究证实其提高扩增反应速度的能力，结果显示微量DNA模版能够在10min内得到有效扩增。本研究不仅将MMBP的温控系统、反应流速及反应条件优化至最佳，而且运用MMBP对东南大学的四张老照片实现了准确读取。相关研究成果发表于ACS Nano上。

东南大学周莹博士后和毕昆讲师为共同第一作者，葛芹玉副教授为唯一通讯作者。作者单位：东南大学生物科学与医学工程学院，数字医学工程全国重点实验室。

三、   研究内容：

图1. 微流控PCR的优化。A. MMBP能有效缩短反应时间。B. MMBP能达到普通PCR的DNA产量。C.不同BSA浓度对DNA读取率的影响。泳道1-9对应反应前加入0.2%、0.3%、0.4%浓度的BSA浓度，反应中加入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%浓度的BSA对DNA读取率的影响。D.MMBP设置中不同流速对应时间的函数图。E. MMBP设置不同流速对应的总时间下获得DNA产量。F. MMBP设置不同PCR循环数下的DNA产量。G.MMBP读取DNA的灵敏度为10个DNA拷贝。H. 使用Image J软件计算MMBP读取DNA1与DNA2的面积比。I. MMBP比传统PCR更接近原始比例。

DNA存储随机访问新技术MMBP的参数调整及优化，主要包括温控模块的调整、流速的设定、反应体系的优化等。首先，将原来的三个温控模块降低为两个温控模块以进一步缩短读取时间。如图

1A所示，两个温控模块能够减少读取时间，比三个温控模块读取时间更短（P < 0.05）。如图1B所示，两个温控模块能够达到普通PCR的DNA扩增产量。图1C展示了不同BSA浓度对DNA读取率的影响。MMBP设置不同流速对应时间的函数符合二次方程（图1D）。MMBP设置不同流速对应的总时间下获得DNA产量在8min左右进入平台期（图1E）。在微通道的排布结构确定后，PCR混合液在各温区的反应时间由流动速度决定，过快或过慢都不利于扩增的顺利进行。针对不同循环数条件下的DNA产量展开了详细研究（图1F）。通过10倍逐步稀释原始DNA溶液进一步验证MMBP的读取灵敏度，MMBP的读取极限为10个DNA拷贝（图1G）。通过将初始DNA1和DNA2序列的溶液按照浓度比10:1、1:1、1:10三个不同的比例进行混合，分别进行普通PCR及MMBP。用ImageJ软件比较DNA1和DNA2扩增产物的比值（图1H）。MMBP所得产物比普通PCR更接近于原始比例值（图1I）。该结果进一步证明普通PCR在读取混合模版时存在偏性，且MMBP在读取均一性方面存在优势。最后，利用MMBP对东南大学图像进行DNA储存和检索，图像1至4可以完美再现（图2）。

图2. 利用已建立的基于两步热循环微流控PCR和DNA磁珠的DNA储存-读取集成系统对东南大学图像进行DNA储存和检索的过程。图像1至4可以完美再现。

四、   结论与展望：

本研究开发了一种基于微流控磁珠PCR (MMBP)的DNA信息存储系统，命名为MMBP-DIS (microfluidic magnetic beads PCR based DNA information storage system)。该系统中使用的微流控毛细管PCR装置显著提高了加热和冷却速度，并成倍缩短了读取时间。此外，利用微通道将反应液限制在相对独立的反应室中以达到限制效果，可有效解决大量 DNA 序列平行扩增时的偏差问题。使用MMBP-DIS不仅可以将随机存取时间缩短到10分钟，提高读取精度和灵敏度，而且与传统方法相比，读取DNA信息的测序深度更低，可以进一步降低读取和测序成本。通过将DNA存储和读取集成装置与DNA泉码和DNA电化学合成技术相结合，可以实现从DNA存储合成到测序的全过程。未来，我们计划将微阀、微泵等微流体通道元件与纳米测序芯片集成，实现DNA存储的自动化集成系统。

五、   致谢：

感谢国家重点研发计划（2020YFA0712104、2022YFF0710800），中国博士后科学基金（No.2023M740608）等项目的资助。

Authors: Ying Zhou†, Kun Bi†, Qi Xu, Quanjun Liu, Xiangwei Zhao, Qinyu Ge*, Zuhong Lu

Title: Ultrafast and Accurate DNA Storage and Reading Integrated System Via Microfluidic Magnetic Beads Polymerase Chain Reaction 

Published in: ACS Nano, doi: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17817