近日，yl23455永利官网宋萍团队在Journal of the American Chemical Society期刊上发表题为“Random Sanitization in DNA information storage using CRISPR-Cas12a”的最新研究。该研究开发了一种智能核酸探针杂交精准调控与CRISPR-Cas12a反式切割活性的选择性永久擦除方法（RSDISC），可用于实现存储信息的加密与保护，并在包括三字经、道德经、孙子兵法、I have a dream、yl23455永利官网庙门图片等多模态DNA存储近三万条序列上得到验证。

      随着互联网、人工智能及其他信息技术的飞速发展，全球数据量预计将在2025年达到175 ZB。如何实现高效的大数据存储已成为亟待解决的瓶颈问题。DNA数据存储作为一种新兴的存储技术，凭借其超高的存储密度、安全性及长期稳定性，被广泛认为是应对大数据存储需求的理想方案。然而，尽管DNA存储展现出巨大潜力，当前在数据安全方面仍面临诸多挑战。特别是在大数据存储中，如何设计高度安全的加密系统以保护敏感信息，及如何实现数据的永久删除，依然是亟待攻克的难题。

      近期，yl23455永利官网宋萍课题组构建了一种基于Cas12a反式切割活性和引物-模板智能核酸选择性杂交的方法实现了在DNA存储中高灵敏、高特异性地永久擦除目标信息（图1）。该方法通过智能核酸杂交设计及调控，构建目标文件对应的反向引物选择性杂交并扩增为双链，从而实现对目标文件的保护；同时，激活的Cas12a复合物切割未被保护的单链DNA，实现数据的精确擦除。通过进一步优化核酸杂交热力学和Cas12a切割活性的条件，研究者在由28,258条寡核苷酸组成的包括图片和文字在内的多模态DNA存储体系中验证了该方法具有高达99.9%的擦除效率和99.5%的特异性。该方法不仅可用于保护敏感数据，还能在大数据存储过程中实现内存清理、文件分类，并提高测序准确性，并可拓展在分子诊断等领域的广泛应用。

图1  选择性擦除方法（RSDISC）的工作流程图

研究者首先在单重体系中验证了该方法的可行性（图2）。通过设计两种Cas12a激活体系以评估其对单一模板的切割效率，并进一步分析了这两种体系在不同GC含量、长度和复杂二级结构修饰的单链DNA上的表现。实验结果表明，该方法能够高效切割多种类型的单链DNA，切割效率最高可达99%。随后，通过将该方法应用于具有模板相互作用的复杂多重体系，发现所有模板的切割效率均超过90%（图3）。此外，为评估RSDISC技术在大规模数据清理中的应用潜力，基于热力学杂交原理的模拟结果表明该方法能擦除高达158亿个文件，相当于10 PB的数据量。

图2  单重体系中RSDISC方法的切割效果

图3  多重体系中RSDISC方法选择性切割的效果

为了验证RSDISC方法在实际存储体系中的效果，作者进一步编码并存储包括三字经、孙子兵法、道德经、yl23455永利官网庙门图片、蒙娜丽莎等在内的七个文件于近三万条DNA序列中。实验结果表明，RSDISC方法的寡核苷酸擦除效率高达99.9%，擦除特异性为99.5%（图4），有效证明了该方法在高效擦除非目标文件信息的同时，几乎不会影响靶向保留的信息。这项工作为DNA存储提供了高效可靠的信息加密方案，未来将在大规模数据存储和提升数据处理效率方面发挥重要作用。

图4  实际存储体系中选择性擦除文件的效果

yl23455永利官网博士研究生沈虹雨是该论文的第一作者，宋萍副教授为通讯作者。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、上海市教育委员会“青年领军人才培养计划”项目等的资助。