美国研究人员正在开发一种基于DNA序列的新分子标识系统。
许多人都有过在商店试穿衣服时被塑料标签戳到背部的不快经历。这只是射频识别技术(RFID)的一个应用案例，它不仅成为零售业的支柱，也成为制造业、物流、运输、医疗保健等领域的支柱。其他广泛应用的标签系统还包括可扫描的条形码和二维码。尽管这些对象标记系统几乎无处不在，但它们也有其缺点：对于某些极小物体而言，它们可能太大或太不灵活，很容易损坏或移除。但是，基于DNA的数据存储和计算的最新进展为创建比传统方法更小、更轻、更高级的标签系统提供了新的可能性。美国科学家正在开发一种基于DNA序列的新标识系统，使用便携式纳米孔设备可在几秒钟内进行读取和解码，也不容易被篡改。该系统将来可用于商场购物和选举投票。
“分子比特”的DNA序列
华盛顿大学和微软的研究人员近期在国际学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)发表的一篇生物技术论文中称，他们推出名为豪猪（Porcupine）的分子标签系统。“豪猪”系统命名灵感来自于同名动物豪猪的刚毛粘住东西的方式。
研究团队描述了脱水的合成DNA链如何取代笨重的塑料或印刷条形码。该技术基于DNA测序技术和原始信号处理工具的最新发展，廉价和易操作的设计不需要进入专门的实验室，也不需要昂贵设备。
论文主要作者、华盛顿大学的凯瑟琳·多罗沙克(Kathryn Doroschak)和杰夫·尼瓦拉(Jeff Nivala)表示，DNA标签由预定义的序列制成，这些序列被称为“分子比特”(molbits)，分子比特可以组合成独特的“条形码”。
“分子标识并不是一个新想法，但现有的方法仍然很复杂，需要进入实验室，这排除了许多现实世界的可能性，”多罗沙克说，“我们设计了第一个便携式的、端到端的分子标识系统，它能够实现大规模的快速、按需编码和解码，而且比现有的分子标识方法更容易获得。”
产生42亿个独特标签
豪猪系统不是依靠无线电波或印刷线路，而是依靠“分子比特”。“分子比特”包含了高度可分离的纳米孔信号，以便于以后的读取。每个单独的“分子比特”包括96个独特的“条形码”序列，该条形码序列与从一组预定序列长度中选择的较长DNA片段相结合。
在豪猪系统中，数字标签的二进制0和1则由96个“分子比特”中的每一个“存在”或“不存在”来表示。每个DNA序列都被设计成可以直接使用便携式纳米孔DNA测序仪读取，以实现低资源环境下的按需读取。纳米孔DNA测序仪比苹果手机（iPhone）还要小。
该研究的合著者、微软研究院高级首席研究经理、艾伦学院副教授卡琳·施特劳斯(Karin Strauss)说：“我们想要在证明这一概念的同时达到较高的准确率，所以才有了初始的96个‘条形码’，但我们故意将系统设计成模块化和可扩展的。”
施特劳斯表示，有了这些初始的“条形码”，豪猪系统可以用基本的实验室设备产生大约42亿个独特的标签，而不会影响读出的可靠性。
无法用肉眼或触觉检测
虽然DNA的读写费用是出了名的昂贵，但豪猪通过预制DNA片段来绕过这个问题。除了降低成本，这种方法还有一个额外的优势，即用户能够任意混合现有的链，从而快速、轻松地创建新的标签。
在初始标签组装期间准备好用于读出的熔块，然后脱水以延长标签的保质期。这种方法可以防止环境中存在的其他DNA污染，同时减少以后的读取时间。
豪猪系统的另一个优点是，熔块极其微小，长度只有几百纳米。实际上，这意味着每个分子标签都足够小，可以在物体表面一平方毫米的范围内容纳超过10亿个拷贝。这使得它们非常适合在不宜使用传统标签方法的小物品或柔性表面上制作标签。
由于DNA标签肉眼看不见，因此入店行窃者无法将其移除。与传统标签相比，纳米尺寸的外形因素还增加了另一层安全性——防伪。
该研究的资深作者、艾伦学院科学家杰夫·尼瓦拉(Jeff Nivala)表示：“与现有的库存控制方法不同，DNA标签不能用视觉或触觉检测到。实际上，这意味着它们很难被篡改，成为追踪高价值物品和区分正品和假货的理想选择。”
可防止选举投票被篡改
“像豪猪这样的系统也可以用来追踪重要文件。例如，你可以设想分子标签被用来追踪选民的选票，防止在未来的选举中被篡改。”尼瓦拉补充说，这种基于DNA的系统将来还可以加快统计选票的速度，而美国大选统计通常需要数天才能完成。
要读取豪猪标签中的数据，用户需要对标签进行再水化，然后通过便携式纳米孔设备进行操作。为了证明这一点，研究人员在原理验证实验中使用豪猪系统在几秒钟内对首字母缩写“M-I-S-L”进行了可靠的编码和再解码。
研究团队指出：“总而言之，豪猪通过直接操纵纳米孔原始电流的各个部分并保持独特的序列，为最终用户降低了合成成本，并产生了视觉上独特的纳米孔电流轨迹，从而实现了高精度解码。”
随着纳米孔技术的进步使其变得越来越便宜，研究团队相信分子标记可能会在各种现实环境中成为一种越来越有吸引力的选择。
该研究的合著者、艾伦学院教授路易斯·塞兹(Luis Ceze)表示：“豪猪是分子-电子混合系统的又一个令人兴奋的例子，它将分子工程、新的传感技术和机器学习结合在一起，使新的应用成为可能。”
编译：史明磊
