如果每個人都必須依賴快閃記憶體——儲存卡和 U 盤中使用的資料儲存系統——到 2040 年，世界預計產生的資訊量將超過地球微晶片級矽的預期供應量，最多可達 100 倍。為了防止此類危機，研究人員一直在探索一種生命本身賴以生存的 儲存材料：DNA。
從理論上講，這種物質可以儲存大量資訊——高達 每立方毫米 DNA 一艾位元組（十億千兆位元組）——長達數千年。（作為大多數數字檔案基礎的磁帶的最大壽命約為 30 年，但 70 萬年前化石 中的 DNA 仍然可以測序。）然而，使 DNA 資料儲存成為現實 的一個障礙是建立或合成符合所需程式碼的新 DNA 序列的過程緩慢、昂貴且容易出錯。
伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的編碼理論家，也是一項關於該主題的新研究的共同資深作者 奧爾吉卡·米倫科維奇 說：“合成 DNA 是記錄成本、準確性和寫入速度方面的主要瓶頸。”她和她的同事們提出了一種新穎的解決方案：不是從頭開始定製合成 DNA，而是用“切口”模式標記現有的 DNA 分子來編碼資料。這種方法的靈感來自穿孔卡片——一種硬紙條，上面在特定位置衝有孔，用於儲存許多早期計算機的資訊，包括二戰時期的 ENIAC。研究人員於週三在《自然通訊》上 詳細介紹了他們的技術。
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以前的 DNA 儲存方法將稱為鹼基的四種關鍵 DNA 成分——腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鳥嘌呤——視為電子位，即編碼數字資料的 1 和 0。例如，每個鹼基可能被分配來表示對 00、01、10 或 11。但是，新方法不是將一系列位轉換為 DNA 程式碼併合成相應的鹼基串，而是將現有的遺傳物質視為有點像早期穿孔卡片的紙張。首席研究作者 S·卡斯拉·塔巴塔拜 是厄巴納-香檳分校的合成生物學家，他說它應用酶作為“製造孔的裝置”。在這種情況下，“孔”是構成 DNA 主鏈的分子的斷裂鍵。這種標記的存在意味著 1，而它的缺失象徵著 0。
布朗大學的理論化學家布倫達·魯賓斯坦說，這項研究最有趣的方面是它如何依賴自然，她沒有參與這項研究。她說，研究人員“讓這些酶產生切口——做對它們來說最自然的事情——來儲存資訊”。
為了精確定位切口，該團隊加熱了 雙鏈 DNA 分子——將每個分子想象成一個扭曲的梯子，梯子的橫檔由鹼基對製成，縱軌由糖和磷酸鹽製成——直到它們在中間稍微解開。這個過程基本上形成了氣泡，使鹼基暴露出來。接下來，科學家們部署了單鏈 DNA 分子，每個分子只有 16 個鹼基長，它們附著在這些氣泡內相應的鹼基序列上。這些單鏈分子的末端充當引導，準確地告訴酶要去哪裡。在 DNA 中，每個鹼基與一個糖分子和一個磷酸基團連線，形成一種稱為核苷酸的化合物。新技術中使用的酶切斷一個核苷酸與另一個核苷酸連線的鍵，從而在糖-磷酸鹽縱軌中產生切口。
由於這種方法不需要合成精確的 DNA 序列，研究人員表示，其主要優勢之一是他們可以將幾乎任何 DNA 分子都視為穿孔卡片。例如，他們用從容易獲得的 大腸桿菌 菌株中廉價收穫的遺傳物質進行了實驗，研究人員非常精確地瞭解這些菌株的序列。科學家們使用包含 450 個鹼基對的細菌 DNA 鏈，每個鏈包含 5 到 10 個切口，編碼了 亞伯拉罕·林肯的葛底斯堡演說 的 272 個單詞——以及 林肯紀念堂 的 14 千位元組影像。在將這些資訊放置在 DNA 上後，他們使用商業測序技術以完美的精度讀取了檔案。
魯賓斯坦說：“多年來，人們認為分子計算涉及將我們在矽中做的事情對映到分子上，這導致了這些精巧的魯布·戈德堡裝置。”“相反，這項新工作信任酶在數百萬年的進化過程中變得非常高效。”
科學家們希望他們的工藝可能比那些依賴合成 DNA 的工藝便宜和快速得多。然而，他們表示，過去提出的 DNA 資料儲存策略仍然提供了一些優勢——例如，儲存密度大約是穿孔卡片技術的 12 到 50 倍。米倫科維奇說：“目前 DNA 資料儲存的最大問題不是密度；而是成本。”“而且我們的成本非常低，還可以進一步降低。”此外，她補充說，較舊的 DNA 儲存系統不得不包含冗餘序列，作為針對傳統 DNA 合成容易出錯的性質的保險。這種要求減少了它們實際可以容納的資料量，縮小了它們與新技術之間的儲存密度差距。