東南大學(xué)生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉宏教授：我們致力于將電子信息技術(shù)與生物學(xué)技術(shù)相融合

近日，東南大學(xué)師生團(tuán)隊(duì)成功將該校校訓(xùn)“止于至善”存入一段DNA序列，實(shí)現(xiàn)了DNA存儲技術(shù)的新突破。相關(guān)成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》上。

據(jù)東南大學(xué)生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉宏教授介紹，大數(shù)據(jù)時(shí)代對更大容量、更快速度的數(shù)據(jù)存儲形式提出了更高要求，DNA存儲技術(shù)就是將生物DNA分子進(jìn)行編碼，從而在DNA序列上存儲信息。

圖為東南大學(xué)生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉宏教授(左)與學(xué)生觀察DNA存儲電極。(東南大學(xué)供圖)

“目前，國外DNA存儲技術(shù)路線多使用市面上成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，DNA的合成與測序兩個環(huán)節(jié)是分開的，需要大型儀器設(shè)備，操作相對復(fù)雜。”劉宏告訴記者，“我們團(tuán)隊(duì)立足自主開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了DNA合成與測序環(huán)節(jié)的一體化，儀器設(shè)備也實(shí)現(xiàn)了小型化。”

劉宏介紹，團(tuán)隊(duì)改進(jìn)傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法，運(yùn)用電化學(xué)方法，將東南大學(xué)校訓(xùn)“止于至善”4個字“翻譯”為DNA序列，并存儲在電極上，隨后又成功讀取出來。

圖為東南大學(xué)師生團(tuán)隊(duì)研發(fā)的DNA存儲電極。(東南大學(xué)供圖)

“國外主流DNA存儲技術(shù)路線目前面臨的一大障礙就是讀取難，動輒要將整個DNA序列測一遍，難以直接從中間某處開始讀取。而且操作過程需要液體試劑，其實(shí)并不方便。”劉宏表示，該團(tuán)隊(duì)將復(fù)雜的DNA序列分別固定在不同的電極上，需要讀取某段信息，找到對應(yīng)的電極即可。

下一步，劉宏團(tuán)隊(duì)打算徹底擺脫對液體試劑的依賴，研發(fā)全固態(tài)的DNA存儲設(shè)備。“DNA存儲和量子計(jì)算、量子通信都屬于前沿技術(shù)。我們致力于將電子信息技術(shù)與生物學(xué)技術(shù)相融合，未來不僅在數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域，在病毒核酸檢測等方面也有可觀的應(yīng)用空間。”劉宏說。(記者陳席元)

動感生物電子學(xué)：生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 

（一）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室簡介

生物電子學(xué)是由信息科學(xué)與生命科學(xué)交叉融合所形成的前沿學(xué)科。生命可以看做復(fù)雜的信息系統(tǒng)，生物電子學(xué)就是運(yùn)用信息科學(xué)原理和方法，通過發(fā)展新型的材料、器件和系統(tǒng)，研究生物系統(tǒng)中信息的獲取、傳感、存儲、分析和處理方法及其應(yīng)用，揭示生物信息的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸、控制、計(jì)算以及作用等規(guī)律，從信息工程的角度認(rèn)識、利用和改造生命，把自然界長期進(jìn)化形成的、具有優(yōu)異特性的生物信息存儲和計(jì)算原理應(yīng)用于信息科學(xué)，豐富和發(fā)展信息科學(xué)的理論和方法。

生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室始于1985年韋鈺院士創(chuàng)建的“分子與生物分子電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室”，1992年被批準(zhǔn)為教育部開放研究實(shí)驗(yàn)室，同年被國際著名物理學(xué)家吳健雄博士授名為吳健雄實(shí)驗(yàn)室，1997年和2002年實(shí)驗(yàn)室二次參加國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室評估獲優(yōu)秀；2005年國家科技部批準(zhǔn)建設(shè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2009年通過科技部驗(yàn)收正式成立生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。目前實(shí)驗(yàn)室擁有國家自然科學(xué)基金委員會信息科學(xué)部“分子電子學(xué)”和“血管信息工程”兩個創(chuàng)新研究群體。生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有我國第一個“生物電子學(xué)”博士點(diǎn)（1993年）；實(shí)驗(yàn)室所支撐的東南大學(xué)“生物醫(yī)學(xué)工程”一級學(xué)科在2007年和2012年全國學(xué)科評估中排名第一，2017年獲評A+學(xué)科。

長期以來，生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在納米生物組裝、分子電子器件、納米生物診療、生物芯片、高通量測序技術(shù)、人體器官芯片、生物計(jì)算、多模態(tài)分子影像、健康大數(shù)據(jù)分析等前沿研究方向上做出了大量重要的研究成果，獲得國家自然科學(xué)獎二等獎、國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎和國家科技進(jìn)步獎二等獎共5項(xiàng)，在多個重要方向上引領(lǐng)了我國生物電子學(xué)學(xué)科的發(fā)展，并能夠持續(xù)產(chǎn)出具有重要國際影響的研究成果。生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室面向國家重大需求，在重大疾病防治、環(huán)境與食品安全、國家安全等方面承擔(dān)了大量的重大重點(diǎn)科研任務(wù)，多次承擔(dān)國家應(yīng)急科研攻關(guān)，目前主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃5項(xiàng)，為國家需求提供生物電子學(xué)的解決方案。

生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有一支高層次、多學(xué)科交叉的研究隊(duì)伍，具有“分子電子學(xué)”和“血管信息工程”兩個國家自然科學(xué)基金委員會信息學(xué)部的創(chuàng)新研究群體，具有教育部“**學(xué)者”特聘教授5人，國家自然科學(xué)基金委員會“杰出青年科學(xué)基金”獲得者9人。實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)了一批活躍在學(xué)術(shù)前沿和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)上的領(lǐng)軍人才，6篇博士論文被評為“全國百篇優(yōu)秀博士論文”，一批優(yōu)秀的畢業(yè)生和博士后活躍在國內(nèi)外生物電子學(xué)學(xué)術(shù)領(lǐng)域，或成為知名企業(yè)的技術(shù)高管，為國家生物電子學(xué)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立了國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先的生物電子學(xué)研究設(shè)施和條件，擁有一批性能高端、特色明顯的研究裝置，具有大型儀器、實(shí)驗(yàn)裝置和自制專用設(shè)備60余臺套，價(jià)值3億多元。實(shí)驗(yàn)室形成了“微納加工與表征”、“電光磁特性分析”和“生物信息大數(shù)據(jù)”等3個通用性研究平臺，以及“分子影像”、“器官芯片”、“基因分析”、“智能感知”等4個專業(yè)研究平臺。

生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是我國生物電子學(xué)領(lǐng)域國際交流的窗口。目前實(shí)驗(yàn)室具有“器官芯片學(xué)科創(chuàng)新引智基地”、“東南大學(xué)-伯明翰大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)合研究中心”、“質(zhì)譜新技術(shù)和創(chuàng)新應(yīng)用國際合作基地”以及“東南大學(xué)-艾倫腦研究所聯(lián)合研究中心”等4個高水平國際合作中心，在國際生物電子學(xué)領(lǐng)域具有重要學(xué)術(shù)影響。

（二）研究方向與研究內(nèi)容

生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在信息科學(xué)和生命科學(xué)的交叉領(lǐng)域開展研究。實(shí)驗(yàn)室圍繞生命系統(tǒng)中的信息活動過程及其物理化學(xué)機(jī)制開展定量研究，研究生物信息獲取與處理的新原理和新方法，研制生物電子學(xué)相關(guān)的新材料和新器件，探索生物信息分析和加工的新機(jī)制，發(fā)展基于生物分子和（或）神經(jīng)的計(jì)算系統(tǒng)和腦機(jī)混合智能技術(shù)，為“人口健康”、“生態(tài)環(huán)境”、“國家安全”等國家重大需求做出重要貢獻(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)室研究工作主要集中生物電子學(xué)相關(guān)的新材料、新器件、新方法和創(chuàng)新儀器裝備及其相關(guān)的應(yīng)用研究，形成“生物納米材料與器件”、“生物信息獲取與傳感”以及“生物信息系統(tǒng)及應(yīng)用”等三個研究方向，如下圖所示。

       生物納米材料與器件方向主要研究內(nèi)容：①研究生物分子功能材料組裝技術(shù)，發(fā)展具有生物電子學(xué)特性的納米功能材料和器件；②研究生物界面上電荷傳遞和分子轉(zhuǎn)移規(guī)律，提高生物材料和器件的生物相容性；③研究高特異性生物探針，發(fā)展多模態(tài)成像及診療一體化技術(shù)。

      生物信息獲取與傳感方向主要研究內(nèi)容：①發(fā)展新型的高通量、高靈敏度生物分子傳感原理，研究單分子DNA測序和單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)；②研究生物信息的處理和分析方法，發(fā)展可穿戴和（或）可植入生物傳感裝置；③研究多細(xì)胞自組織的體外構(gòu)建，發(fā)展器官芯片與多器官人體芯片系統(tǒng)。

生物信息系統(tǒng)及應(yīng)用方向主要研究內(nèi)容：①研究復(fù)雜生物系統(tǒng)建模，生物信息定量分析和知識挖掘；②研究DNA存儲和計(jì)算原理，構(gòu)建極高容量DNA信息存儲及存算一體化系統(tǒng)；③研究神經(jīng)信息處理原理，發(fā)展腦機(jī)混合智能及控制技術(shù)。