DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的新方法使系統(tǒng)更具動(dòng)態(tài)性和可擴(kuò)展性

來(lái)自北卡羅萊納州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的全新方法，使用戶能夠在不破壞數(shù)據(jù)文件的情況下讀取或修改數(shù)據(jù)文件，并使該系統(tǒng)更容易用于實(shí)際應(yīng)用。

“大多數(shù)現(xiàn)有的DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)依賴聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)的文件，這在復(fù)制信息方面非常有效，但也帶來(lái)了一些重大的挑戰(zhàn)，”Albert Keung說(shuō)，他是一篇關(guān)于這項(xiàng)工作的論文的共同通訊作者。他說(shuō):“我們開發(fā)了一種稱為動(dòng)態(tài)操作和可重復(fù)使用信息存儲(chǔ)(DORIS)的系統(tǒng)，它不依賴于PCR。這幫助我們解決了DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的一些關(guān)鍵障礙?！睆?qiáng)是北卡州立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程學(xué)助理教授。

DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)有可能比現(xiàn)有同等規(guī)模的系統(tǒng)存儲(chǔ)更多數(shù)量級(jí)的信息。然而，現(xiàn)有技術(shù)很難解決與實(shí)際實(shí)現(xiàn)相關(guān)的一系列問(wèn)題。

目前的系統(tǒng)依賴于被稱為引物結(jié)合序列的DNA序列，這些序列被添加到儲(chǔ)存信息的DNA鏈末端。簡(jiǎn)言之，DNA的引物結(jié)合序列作為文件名。當(dāng)你想要一個(gè)給定的文件時(shí)，你會(huì)檢索出帶有該序列的DNA鏈。

DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的許多實(shí)際障礙都與使用PCR來(lái)檢索存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)有關(guān)。依賴PCR的系統(tǒng)必須大幅提高和降低存儲(chǔ)的遺傳物質(zhì)的溫度，以撕裂雙鏈DNA，揭示引物結(jié)合序列。這導(dǎo)致了所有的dna——引物結(jié)合序列和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)序列——在一種基因湯中自由游動(dòng)。然后，現(xiàn)有的技術(shù)可以通過(guò)聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)在湯中排序，找到、檢索和復(fù)制相關(guān)的DNA。溫度的波動(dòng)對(duì)開發(fā)實(shí)用技術(shù)來(lái)說(shuō)是個(gè)問(wèn)題，而PCR技術(shù)本身也逐漸消耗或耗盡了被檢索文件的原始版本。

多麗絲采取了不同的方法。桃瑞絲沒(méi)有使用雙鏈DNA作為引物結(jié)合序列，而是使用了一個(gè)由單鏈DNA組成的“懸挑”——就像一條尾巴，在雙鏈DNA后面流動(dòng)，而雙鏈DNA實(shí)際上是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。傳統(tǒng)的技術(shù)需要溫度波動(dòng)來(lái)撕裂DNA以找到相關(guān)的引物結(jié)合序列，而使用單鏈懸垂意味著DORIS可以在不干擾雙鏈DNA的情況下找到合適的引物結(jié)合序列。

“換句話說(shuō)，多麗絲可以在室溫下工作，這使得開發(fā)DNA數(shù)據(jù)管理技術(shù)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中更加可行，”該論文的共同通訊作者、北卡羅來(lái)納州立大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程教授詹姆斯·塔克(James Tuck)說(shuō)。

不必撕開DNA鏈的另一個(gè)好處是，懸垂部分的DNA序列可以與在數(shù)據(jù)文件本身的雙鏈區(qū)域發(fā)現(xiàn)的序列相同。在以pcr為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中，這很難在不犧牲信息密度的情況下實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)無(wú)法區(qū)分引物結(jié)合序列和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)序列。

“多麗絲使我們大大增加了系統(tǒng)的信息密度，也使它更容易擴(kuò)大規(guī)模來(lái)處理真正的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，”Kevin Lin說(shuō)，他是該論文的第一作者，也是NC州立大學(xué)的博士生。

一旦DORIS識(shí)別出正確的DNA序列，它就不需要依靠PCR來(lái)進(jìn)行復(fù)制。相反，桃瑞絲把DNA轉(zhuǎn)錄成RNA，然后RNA又轉(zhuǎn)錄回DNA，這樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)就可以讀取了。換句話說(shuō)，DORIS不必使用原始文件來(lái)讀取它。

單股懸垂還可以修改，允許用戶重命名文件、刪除文件或“鎖定”文件——有效地讓其他用戶看不到它們。

“我們已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)多麗絲的功能原型，所以我們知道它是有效的，”Keung說(shuō)?！拔覀儸F(xiàn)在有興趣擴(kuò)大它的規(guī)模，加快它的速度，并將其放入一個(gè)設(shè)備中，使過(guò)程自動(dòng)化，使其對(duì)用戶更加友好?！?/p>