Neuer Ansatz für DNA-Datenspeichersystem dynamischer macht, skalierbare

„Die meisten der bestehenden DNA-Datenspeichersysteme beruhen auf der Polymerase-Kettenreaktion (PCR), um Zugriff auf gespeicherte Dateien, die auf das Kopieren von Informationen, sondern bietet einige bedeutende Herausforderungen sehr effizient ist“, sagt Albert Keung, Co-korrespondierender Autor eines Papiers über die Arbeit . „Wir haben ein System namens dynamische Vorgänge und wiederverwendbare Information Storage entwickelt, oder DORIS, die nicht auf PCR angewiesen ist. Das hat uns geholfen, einige der wichtigsten Hindernisse adressieren mit Blick auf die praktische Umsetzung von DNA-Daten Speichertechnologien.“ Keung ist ein Assistent Professor für chemische und molekularbiologische Technik an der NC State.

DNA-Datenspeichersysteme haben das Potenzial, zu halten, um Größenordnungen mehr Informationen als bestehende Systeme vergleichbarer Größe. Allerdings haben die bestehenden Technologien zu kämpfen eine Reihe von Bedenken bei der praktischen Umsetzung anzugehen.

Aktuelle Systeme stützen sich auf Sequenzen von DNA-Primer-Bindungssequenzen genannt, die diese speichern Informationen an die Enden der DNA-Stränge hinzugefügt werden. Kurz gesagt, dient die Primer-Bindungssequenz von DNA als Dateinamen. Wenn Sie eine bestimmte Datei möchten, rufen Sie die DNA-Stränge, dass die Sequenz trägt.

Viele der praktischen Hindernisse für den DNA-Datenspeichertechnologien drehen sich um die Verwendung von PCR gespeicherten Daten abzurufen. Systeme, die auf PCR angewiesen sind drastisch zu erhöhen und die Temperatur des gespeicherten genetischen Materials, um niedriger die doppelsträngige DNA auseinander und zeigen die Primer-Bindungssequenz zu zerreißen. Dadurch ergibt sich die gesamte DNA, die Primer-Bindungssequenzen und die Datenspeichersequenzen, schwimmen frei in einer Art genetischer Suppe. Bestehende Technologien können dann sortieren durch die Suppe zu finden, abrufen und kopieren Sie die relevante DNA mit Hilfe der PCR. Die Temperaturschwankungen sind problematisch für die Entwicklung von praktischen Technologien, und die PCR-Technik selbst nach und nach verbraucht oder Verwendungen auf, die ursprüngliche Version der Datei, die abgerufen wird.

DORIS nimmt einen anderen Ansatz. Anstelle der Verwendung von doppelsträngigen DNA als Primer-Bindungssequenz, DORIS verwendet einen „Überhang“, die aus einem Einzelstrang von DNA besteht, wie ein Schwanz, den Strom hinter der doppelsträngigen DNA, die tatsächlich Daten speichern. Während bei herkömmlichen Techniken erforderlich, Temperaturschwankungen, die DNA, um die entsprechenden offenen rippen Primer-Bindungssequenzen zu finden, die einen einzelsträngigen Überhang Mittel verwenden, das DORIS die entsprechenden Primer-Bindungssequenzen ohne Störung der doppelsträngigen DNA gibt.

„Mit anderen Worten, kann DORIS bei Raumtemperatur arbeiten, so dass es viel mehr machbar DNA-Daten-Management-Technologien zu entwickeln, die in den Szenarien der realen Welt lebensfähig sind“, sagt James Tuck, Co-korrespondierender Autor des Papiers und ein Professor für Elektro- und Computertechnik an der NC State.

Der andere Vorteil, nicht den DNA-Stränge zu zerreißen ist, dass die DNA-Sequenz in dem Überhang identisch mit einer Sequenz in dem doppelsträngigen Bereich der Datendatei selbst zu finden ist. Das ist schwierig in PCR-basierten Systemen zu erzielen, ohne Informationsdichte zu opfern, weil das System nicht in der Lage sein würde, zwischen Primer-Bindungssequenzen und Datenspeichersequenzen zu unterscheiden.

„DORIS ermöglicht es uns deutlich die Informationsdichte des Systems zu erhöhen, und macht es auch leichter handhaben wirklich große Datenbanken skalieren bis zu“, sagt Kevin Lin, erster Autor des Papiers und ein Ph.D. an der NC State Student.

Und einmal DORIS die korrekte DNA-Sequenz identifiziert hat, es beruht nicht auf PCR zum Erstellen von Kopien. Stattdessen transkribiert DORIS um die DNA zu RNA, die dann revers transkribiert wird zurück in DNA, die das Datenspeichersystem lesen kann. Mit anderen Worten, muss DORIS nicht die Original-Datei, um es zu lesen verbrauchen.

Die Einzelstrang-Überhänge können auch modifiziert werden, so dass Benutzer Dateien, Dateien löschen oder „Lock“, um sie zu benennen, sie effektiv für andere Benutzer unsichtbar zu machen.

„Wir haben einen funktionalen Prototyp von DORIS entwickelt, so dass wir wissen, dass es funktioniert“, sagt Keung. „Wir sind jetzt interessiert es in Scaling-up, es bis zu beschleunigen und es in ein Gerät, dass automatisiert den Prozess setzen, es benutzerfreundlich zu machen.“

Quelle: North Carolina State University. "New approach to DNA data storage makes system more dynamic, scalable." ScienceDaily. ScienceDaily, 12 June 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200612111427.htm>.