研究克服了擴(kuò)大DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主要障礙

北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了基于DNA的信息存儲(chǔ)系統(tǒng)中標(biāo)記和檢索數(shù)據(jù)文件的新技術(shù)，解決了廣泛采用DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的兩個(gè)主要障礙。

“DNA系統(tǒng)因其潛在的信息存儲(chǔ)密度而具有吸引力;理論上它們可以存儲(chǔ)在相當(dāng)大小的傳統(tǒng)電子設(shè)備中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量的十億倍，”詹姆斯塔克說(shuō)，他是一篇關(guān)于這項(xiàng)工作的論文的共同通訊作者。北卡羅來(lái)納州電氣和計(jì)算機(jī)工程副教授。

“但這里面臨的兩大挑戰(zhàn)是，你如何識(shí)別包含你正在尋找的文件的DNA鏈?一旦你識(shí)別出這些鏈，你如何刪除它們以便它們可以被讀取 - 并且如果沒(méi)有摧毀了這股?“

“以前的工作已經(jīng)提出了一個(gè)系統(tǒng)，它將短的，20個(gè)單體長(zhǎng)的DNA序列稱(chēng)為引物結(jié)合序列，存儲(chǔ)信息的DNA鏈的末端，”該論文的共同作者Albert Keung說(shuō)道。北卡羅來(lái)納州化學(xué)與生物分子工程助理教授。“您可以使用與相應(yīng)引物結(jié)合序列匹配的小DNA引物來(lái)鑒定包含所需文件的合適鏈。但是，這些結(jié)合序列估計(jì)只有30,000個(gè)，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用是不夠的。我們想要找到克服這種局限的方法。“

為了解決這些問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)了兩種技術(shù)，它們一起稱(chēng)為DNA富集和嵌套分離，或DENSe。

研究人員使用兩個(gè)嵌套的引物結(jié)合序列解決了文件識(shí)別挑戰(zhàn)。系統(tǒng)首先識(shí)別包含初始結(jié)合序列的所有鏈。然后，它對(duì)該子集的子集進(jìn)行第二次“搜索”以挑出包含第二個(gè)結(jié)合序列的那些鏈。

“這使估計(jì)文件名的數(shù)量從大約30,000增加到大約9億，”塔克說(shuō)。

一旦確定，仍然需要提取文件。現(xiàn)有技術(shù)使用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)來(lái)制備相關(guān)DNA鏈的許多(和大量)拷貝，然后對(duì)整個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)序。因?yàn)橛泻芏嗫截惖陌蠨NA鏈，它們的信號(hào)會(huì)壓倒樣品中其余的鏈，從而可以識(shí)別靶DNA序列并讀取文件。

“這種技術(shù)效率不高，如果你試圖從高容量數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索數(shù)據(jù)，它就不起作用 - 系統(tǒng)中存在太多其他DNA，”Kyle Tomek博士說(shuō)。北卡羅來(lái)納州立大學(xué)學(xué)生，該論文的共同主要作者。

因此，研究人員采用了不同的數(shù)據(jù)檢索方法，將幾個(gè)小分子標(biāo)記中的任何一個(gè)附加到用于鑒定靶向DNA鏈的引物上。當(dāng)引物找到目標(biāo)DNA時(shí)，它使用PCR制作相關(guān)DNA的拷貝，并將拷貝附加到分子標(biāo)簽上。

研究人員還利用涂有分子的磁性微珠，這些分子與給定標(biāo)簽特異性結(jié)合。這些功能化的微珠“抓住”靶DNA鏈的標(biāo)簽。然后可以用磁鐵取回微珠，用它們帶來(lái)靶DNA。

“這個(gè)系統(tǒng)允許我們檢索與特定文件相關(guān)的DNA鏈，而不必制作每條鏈的許多拷貝，同時(shí)還保留數(shù)據(jù)庫(kù)中的原始DNA鏈，”Keung說(shuō)。

“我們已經(jīng)使用樣本文件實(shí)驗(yàn)性地實(shí)現(xiàn)了DENSe系統(tǒng)，并且已經(jīng)證明它可以用于存儲(chǔ)和檢索文本和圖像文件，”Keung補(bǔ)充道。

“這些技術(shù)在串聯(lián)使用時(shí)，為開(kāi)發(fā)具有現(xiàn)代容量和文件訪問(wèn)功能的基于DNA的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)打開(kāi)了大門(mén)，”Tomek說(shuō)。

“接下來(lái)的步驟包括擴(kuò)大規(guī)模并使用更大的數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)試DENSe方法，”Tuck說(shuō)。“成本面臨巨大挑戰(zhàn)。”

該論文“推動(dòng)基于DNA的信息存儲(chǔ)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性”發(fā)表在ACS Synthetic Biology期刊上。