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推荐 | Curr Opin Chem Biol 2015 回顾 | DNA纳米技术:老骥伏枥,志在新途

推荐 | Curr Opin Chem Biol 2015 回顾 | DNA纳米技术:老骥伏枥,志在新途 iSynBio造物
2022-05-23
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导读:核酸测序与合成技术发展使DNA纳米技术有望开拓数字通信和数据储存新领域。




DNA存储回顾系列由中科碳元牵头,独家联合再创Regenesis、Genomecraft合作创作,主要由马英新课题组、iSynBio爱星博、iSynBio造物合作推广。



C-ATOM 中科碳元丨DNA存储进展

美国麻省理工学院的Bijan Zakeri和Timothy K. Lu回顾了核酸测序与合成技术发展为DNA纳米技术在生物领域外带来的新应用,讨论了DNA的高容量性、静态存储性、稳定性、可再现性、非过时性等关键属性在数字通信和长期数据存储领域的优势,提出了解决序列伪装、DNA语言设计、读取/写入成本高和读取/写入速度慢等限制性问题,进一步实现DNA取代磁性光学存储介质,革新数字存储领域的展望。相关综述于2015年10月在Current Opinion in Chemical Biology发表,原题DNA nanotechnology: new adventures for an old warhorse。

Current Opinion in Chemical Biology 2015 

传统DNA纳米技术通常被认为是DNA自组装形成纳米结构。利用碱基配对和新发展的DNA合成技术,DNA也可实现复杂的可编程自组装3D架构用于结构支架设计,而不仅仅是遗传信息存储分子。人工基因组的化学合成非自然遗传字母表的发展是DNA纳米技术领域的两大标志。本文回顾了DNA在生物领域外的新应用。亿万年的进化使DNA在生物领域成为高效的数据传输和存储介质,随着合成成本的下降和便捷测序技术的出现,人工合成的DNA化学聚合物正在成为未来数字数据通信和存储领域的潜力派。

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数字数据: 挑战和机会


信息时代数据爆炸式增长,写入、读取、存储技术飞速革新,数字和在线数据通信和存储带来巨大便利,也滋生了有关数字空间日渐脆弱和数据安全性难以保障的担忧。关于未来的信息访问途径,我们必须扪心自问:最有效的信息存储方式是什么?在外来侵扰下数据存储的安全性如何?数据存储平台的稳定性如何?重现(复制和粘贴)数据的便利性如何?当写入原始信息的技术湮灭时,我们如何实现信息的读取与重写?


思及数字通信和数据存储领域的下一代技术革命,DNA在信息存储方面的几点关键属性值得我们深虑。


①高数据密度性:相比目前的商业化磁性和光学存储介质,DNA存储容量高一百万倍。


②静态存储性:存储在DNA中的数据代表一个静态脱机系统,不受非预期序列变化或进化影响,无法使用互联网远程访问。


③稳定性:DNA可以稳定维持数千年,加速老化实验预测DNA内的数据可存储超过两百万年。


④可再现性:被编码的数据可以通过常规聚合酶扩增反应迅速、低成本、指数级地再现。


⑤非过时性:DNA序列知识在医学上至关重要,因此可以合理地假设,只要社会不断发展,我们就需要对DNA进行读取和解释,DNA读取和写入工具将会在可预见的未来一直存在。


DNA用于长期数据存储的关键属性


 01

DNA通信

将信息写入DNA耗时、费力又昂贵,但DNA分子肉眼不可见,进行数据提取时又需要专业的分子生物学技能,这使得DNA通信的安全性极高

让我们看看利用DNA进行通信的一些案例:Bancroft团队使用非编码DNA混合对信息进行加密,首先对DNA通信及其安全性进行了概念验证;Mao等人将信息整合到DNA分子的3D结构中,实现了利用累积异或计算进行的一次性密码本加密;此外,DNA也被研究用作基因工程生物的标准化水印或条形码,对环境释放物种进行快速鉴定或对食品农产品进行跟踪认证。

DNA条形码序列获取结果

 02

DNA中的长期数据存储

高写入和读取成本、高容量和化学稳定性使DNA成为无需频繁访问面向后世的长期数据存储潜力股。Church团队在DNA中编码了一本书,包含53,426个单词,11张图片,大小总计659 kB。数字html文件中的位被替换为碱基,0=A或C,1=T或G。该方法存储密度达5.5×1015 bits/mm3,远超传统硬盘的3.1×109 bits/mm3
Science 2012回顾 | George Church团队开创性提出DNA存储策略

Goldman和其团队更进一步,在DNA中存储了大小总计757 kB 的ASCII文本,PDF、JPEG和MP3文件,开发软件使用三进制将位转换为碱基。该研究预估写入成本为12,400美元/MB,读取成本为220美元/MB。
Nature 2013 回顾 | Nick Goldman团队革新DNA数据存储方式

Grass及其同事使用DNA密码子轮解决了错误修正问题,比较了四种存储方法并验证得到封装在二氧化硅球中鲁棒性最好。作者估计存储在DNA中的数字数据在永久冻土条件下存档超过200万年后依然可以无差错地恢复。
ANGEW 2015回顾 | Robert Grass团队提出引入纠错码的固态DNA数据存储体系

将数据从数字格式(0/1)转换为DNA格式(A/G/C/T)。Church,Goldman和Grass的研究采用了不同的方法来编码DNA中的信息,但都实现了可靠的数据存储。

 03

未来展望

在DNA存储技术被广泛接纳之前,仍有以下几点关键限制需要解决:

①序列伪装:我们是否可以伪装DNA,使授权人员可以轻松读取(测序),而未授权个人被混淆?

②DNA语言:我们能否开发一种涵盖生物学、计算机科学和语言学的DNA语言,专门用于编码DNA数据信息?

③写入/读取成本:我们能否专门针对数据存储最大限度地提高DNA写入/读取技术效率?

④ 写入/读取速度:我们能否使写入/读取技术完全基于化学而非酶,以实现快速功能?

为实现DNA长期数据存储潜力应解决的重大挑战

DNA有希望极大改变数字存储格局。随着进一步研究和关键问题的解决,DNA纳米技术这匹昔日战马又将开启一次新的征程。

快速发展的核酸合成与测序技术促进了DNA在基因以外领域的应用。本文探索了DNA在通讯和数字数据存储领域的应用,并表明,早先提出的使用DNA取代磁性和光学存储介质不仅有极大希望,也昭示了未来DNA在革新数字数据交互方式上的巨大潜力。

参考文献

[1] Zakeri, B., & Lu, T. K. (2015). DNA nanotechnology: new adventures for an old warhorse. Current opinion in chemical biology, 28, 9–14.
[2] 辛天怡, 闫海霞, 李冉郡, 娄千, 郝利军, 廖保生, 刘颖, 陈晶, 陈有根, 杜小伟, 郭洪祝, 傅欣彤, 宋经元. DNA条形码技术在国家药品抽验中的应用研究. 药学学报, 2021, 56(5): 1497-1508.


文案:阿克
审核:疯与鸽
排版:巳月
指导:神秘 Prof. Dai


END


【声明】内容源于网络
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