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DNA Lego积木可实现快速可重写数据存储

英国剑桥大学卡文迪许实验室的研究人员说,DNA数据存储可能比以前更容易读写。他们报告了一种可以存储加密数据和重写数据的技术。

DNA数据存储背后的原始想法是,用编码数字数据的基本单元的定制序列合成DNA的长分子。通过这种方法实现的数据密度比现有的磁性或固态技术高几个数量级,并且可持续数千年而不是数十年。如果没有某些重大限制,DNA数据存储的寿命和数据密度将对数据存档特别有用。

“最大的问题之一就是DNA的制造,” 英国剑桥大学应用物理教授Ulrich Keyser说。他解释说,用规定的碱基单位序列合成足以存储数据的脱氧核糖核酸DNA分子很困难,而且需要酶。“采用我们的方法,就像乐高积木一样。您只需混合在一起,加热和冷却即可。”

读取存储在碱基对序列中的数据也是缓慢且昂贵的。测序技术已经走了很长一段路,但是它仍然主要依靠复制数十亿个分子的拷贝来放大蛋白质相互作用产生的信号,等等。

另一种测序方法是使DNA分子穿过纳米孔,并在不同碱基对通过时从离子电流的变化中实时读取序列。尽管更便宜,更高效,但从DNA主干中的碱基对读取位对于数据存储技术而言仍然花费太长时间。但是,Keyser和他的团队通过将数据存储在卡在主骨干上的悬垂物上,开发了一种方法,该方法可以轻松,准确地读取纳米孔技术,并且可以进行简单的混合操作。

通过在突出显示的数据上合并“脚趾支撑”,他们表明可以轻松删除和重写数据。Keyser说:“重写工作如此简单,而且如此简单,我感到很惊讶,因为这对任何其他DNA数据技术来说都是非常困难的。”

感应潜力

“我们最初的想法是感应扩增,” Nano Letters论文的第一作者Chenkaikai Chen解释了这些结果。“然后,我们想到了数据存储的想法。”

开拓性方法的关键是控制如何对单链DNA的突出端进行“退火”。虽然DNA背面骨骼中碱基对的序列在一个分子之间是相同的,但研究人员用互补的单链DNA进行了特定的突出端,该互补的单链DNA被生物素化,而其余的与普通的单链DNA退火。当互补链被生物素化时,它将与链霉亲和素分子结合,当DNA穿过纳米孔时,其离子电流容易检测到变化,将其读为“ 1”。当突出的DNA链没有链霉亲和素时,写入的数据为“ 0”。该小组使用了公认的技术,这些技术基于驻留在分子特定区域中的分子,以将正确的互补链递送至正确的地址。

能够重写的“ toehold”只是在功能化后会突出一些额外的单链DNA,从而使其易于删除和重写。保留生物素化的链会使数据保持加密,因为只有知道单链DNA突出端序列的人才能知道互补链必须提供什么样的序列才能提供将与链霉亲和素结合的生物素化链,从而将其与零。

未来

该技术的下一个挑战将是扩大规模。由于他们经营物理实验室,因此Keyser不会将其作为团队下一步工作的重点,尽管原则上使用移液机器人或微流控技术似乎很简单。Chen补充说:“已经有公司提供可以使用的微流体产品。”

研究人员正在研究除链霉亲和素外还可以使用哪些其他官能团。Chen说:“原则上,我们的方法可以适应不同的功能。” 他们使用链霉亲和素作为原理证明,因为它是他们熟悉的功能性基团。他补充说:“这非常简单并且运行良好。” 但是,使用较小的组可能允许更高密度的存储。

官能团的选择不能完全实现通过将数据存储在碱基对序列中而实现的数据密度。Keyser建议这也可以解释为什么以前没人想到过乐高积木方法。尽管新技术方面的工作倾向于遵循已经展示的技术,而不是采用正交方法,但对优化数据密度的关注可能起到了额外的威慑作用。但是,更快,更简单的读取和写入(尤其是重写)的优点可能值得进行权衡。可重写的DNA数据存储还为DNA计算提供了机会,这可以提供传统计算的替代方法,尽管速度较慢,但​​能耗极低,因此对某些应用具有价值。

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