研究克服了擴大DNA數(shù)據(jù)存儲的主要障礙

北卡羅來納州立大學的研究人員開發(fā)了基于DNA的信息存儲系統(tǒng)中標記和檢索數(shù)據(jù)文件的新技術(shù)，解決了廣泛采用DNA數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的兩個主要障礙。

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

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

“以前的工作已經(jīng)提出了一個系統(tǒng)，它將短的，20個單體長的DNA序列稱為引物結(jié)合序列，存儲信息的DNA鏈的末端，”該論文的共同作者Albert Keung說道。北卡羅來納州化學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引物來鑒定包含所需文件的合適鏈。但是，這些結(jié)合序列估計只有30,000個，這對于實際應(yīng)用是不夠的。我們想要找到克服這種局限的方法。“

為了解決這些問題，研究人員開發(fā)了兩種技術(shù)，它們一起稱為DNA富集和嵌套分離，或DENSe。

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

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

一旦確定，仍然需要提取文件?，F(xiàn)有技術(shù)使用聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)來制備相關(guān)DNA鏈的許多(和大量)拷貝，然后對整個樣品進行測序。因為有很多拷貝的靶DNA鏈，它們的信號會壓倒樣品中其余的鏈，從而可以識別靶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。北卡羅來納州立大學學生，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，將幾個小分子標記中的任何一個附加到用于鑒定靶向DNA鏈的引物上。當引物找到目標DNA時，它使用PCR制作相關(guān)DNA的拷貝，并將拷貝附加到分子標簽上。

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

“這個系統(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，同時還保留數(shù)據(jù)庫中的原始DNA鏈，”Keung說。

“我們已經(jīng)使用樣本文件實驗性地實現(xiàn)了DENSe系統(tǒng)，并且已經(jīng)證明它可以用于存儲和檢索文本和圖像文件，”Keung補充道。

“這些技術(shù)在串聯(lián)使用時，為開發(fā)具有現(xiàn)代容量和文件訪問功能的基于DNA的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)打開了大門，”Tomek說。

“接下來的步驟包括擴大規(guī)模并使用更大的數(shù)據(jù)庫測試DENSe方法，”Tuck說。“成本面臨巨大挑戰(zhàn)。”

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