DNA数据存储的崛起

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随着DNA数据存储很快成为现实,是否会有一天我们将文件下载并存储到基因信息上?有哪些挑战和机遇? Maya Raghunandan硕士生导师,博士生导师 生物化学分子生物学科拉布树 自由职业的科学家,提供了一个概述。 

每一天,我们都在使用数字技术。我们拍照、聊天、下载文件、观看视频等等。由于数据以数字方式存储,大量的信息可以在我们的指尖上获取;这些数据以0和1的阵列形式存在于众多带有硅芯片的硬盘驱动器和磁带上。正在进行的数据爆炸已经突破了存储容量的极限,预计将超过现有的基础设施。 到2040年数据洪水可能需要比现有的微芯片级硅多10-100倍。这个问题导致全球的研究人员在数据存储的替代手段上找到了突破口。

DNA作为一种数据存储工具。优点

幸运的是,大自然为我们提供了一个解决方案,即我们的遗传信息编码蓝图--DNA的形式。这个想法在2012年得到了重视,当时美国的研究人员在 哈佛大学 在1000多条DNA链中编码了一本52,000字的书。随后,许多其他研究人员验证并进一步推进了用于将数字数据写入DNA并进行检索的方法。一些突出的例子包括以下的研究人员 哥伦比亚大学, 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校, 华盛顿大学, 欧洲生物信息学研究所苏黎世联邦理工学院.2017年,美国政府宣布对DNA存储研究的潜在兴趣,作为其国家安全研究部门活动的一部分。许多科技巨头,包括 微软在追求DNA作为未来的数据存储库方面表现出浓厚的兴趣。 事实上。 微软和华盛顿大学 合作将 "35个不同的文件(超过200MB的数据),存储在1300多万个DNA寡核苷酸中",这些文件被无误地恢复。当数据存储的危机笼罩着我们时,DNA可以提供一个生物替代方案,原因有很多。

  • DNA是非常稳定的,可以稳定地持续100年之久
  • 它非常紧凑,需要的存储空间非常小。
  • 它很容易复制和创建备份
  • 作为一项技术,它不会被淘汰
  • 它的信息存储密度超过了其他任何技术。 1克 的DNA可以存储700兆字节的数据。 几公斤的DNA 现在可以储存世界上大部分的。

将数字数据转换为生物数据

从理论上讲,DNA中信息存储的基础与二进制代码基本相似,尽管遵循的过程略有不同。DNA中的信息不是使用传统方法中的0和1,而是记录为A、T、G和C(腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和鸟嘌呤)。这样做的方法是,我们给核苷酸分配不同的二进制代码。例如,00=A,01=C,10=T,11=G。现在,一张图片通常被编码为一系列的0和1;一系列开始的例子可以是0011100100。如果我们把它们分成一对--00 11 10 01 00 -- 它将转化为A-G-T-C-A。这个序列将是形成DNA链的核苷酸的顺序。一旦确定了序列,就可以用化学方法合成DNA,将其烘干并储存在避光和避湿的小瓶中。一克DNA可以储存多达2.15亿个千兆字节的数据。

DNA可以使用DNA测序方法进行 "回读",该方法在全球各个实验室中被常规使用。这个过程将产生一个字母序列文件,然后可以再次解码成0和1,以获得原始数字数据。

DNA作为一种数据存储工具。目前面临的障碍

要使DNA数据存储成为一种实用的数据存储选择,编码-书写-阅读和解码信息的整个过程必须自动化。目前使用的技术很耗时而且容易出错。最重要的是,这些技术的基础成本需要大幅下降,才能使DNA数据存储在经济上可行。

目前的DNA合成技术,不能合成特别长的DNA长度;其极限是每条链大约20字节的数据。因此,数据需要被分解成几块,对断裂处进行标记,然后转换成DNA格式。更大的障碍可以在数据检索系统中找到。读取的DNA链被 "读取 "后会永久性地破坏。因此,拥有大量的备份副本将是至关重要的。此外,目前的数据检索系统将需要读取存储瓶中的全部数据。同时,新的 随机访问 在地平线上的技术,预示着使单个文件的检索成为现实的可能性。

DNA作为数据存储手段的可用性将由生物技术和基因工程行业的进步所决定。DNA测序技术的发展速度表明,DNA数据存储可能很快成为现实。随着各种技术慢慢转向生物模仿,DNA--这个基本的生命存储分子也成为我们的数据库,这是很合适的。

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关于作者

Maya Raghunandan在美国双城的明尼苏达大学获得生物化学和分子生物学博士学位。目前,她是比利时布鲁塞尔天主教大学的一名癌症生物学科学家。在业余时间,她在她的无专业术语的博客http://www.sciencesnippets.org/,写一些很酷的科学发现。因为,科学不一定要听起来很复杂。相反,它必须是每个人都能理解的。

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