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来自北卡罗莱纳州立大学的研究人员开发了一种DNA数据存储系统的全新方法,使用户能够在不破坏数据文件的情况下读取或修改数据文件,并使该系统更容易用于实际应用。
“大多数现有的DNA数据存储系统依赖聚合酶链反应(PCR)来访问存储的文件,这在复制信息方面非常有效,但也带来了一些重大的挑战,”Albert Keung说,他是一篇关于这项工作的论文的共同通讯作者。他说:“我们开发了一种称为动态操作和可重复使用信息存储(DORIS)的系统,它不依赖于PCR。这帮助我们解决了DNA数据存储技术在实际应用中面临的一些关键障碍。”强是北卡州立大学化学与生物分子工程学助理教授。
DNA数据存储系统有可能比现有同等规模的系统存储更多数量级的信息。然而,现有技术很难解决与实际实现相关的一系列问题。
目前的系统依赖于被称为引物结合序列的DNA序列,这些序列被添加到储存信息的DNA链末端。简言之,DNA的引物结合序列作为文件名。当你想要一个给定的文件时,你会检索出带有该序列的DNA链。
DNA数据存储技术的许多实际障碍都与使用PCR来检索存储的数据有关。依赖PCR的系统必须大幅提高和降低存储的遗传物质的温度,以撕裂双链DNA,揭示引物结合序列。这导致了所有的dna——引物结合序列和数据存储序列——在一种基因汤中自由游动。然后,现有的技术可以通过聚合酶链反应(PCR)在汤中排序,找到、检索和复制相关的DNA。温度的波动对开发实用技术来说是个问题,而PCR技术本身也逐渐消耗或耗尽了被检索文件的原始版本。
多丽丝采取了不同的方法。桃瑞丝没有使用双链DNA作为引物结合序列,而是使用了一个由单链DNA组成的“悬挑”——就像一条尾巴,在双链DNA后面流动,而双链DNA实际上是存储数据的。传统的技术需要温度波动来撕裂DNA以找到相关的引物结合序列,而使用单链悬垂意味着DORIS可以在不干扰双链DNA的情况下找到合适的引物结合序列。
“换句话说,多丽丝可以在室温下工作,这使得开发DNA数据管理技术在现实场景中更加可行,”该论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学电子和计算机工程教授詹姆斯·塔克(James Tuck)说。
不必撕开DNA链的另一个好处是,悬垂部分的DNA序列可以与在数据文件本身的双链区域发现的序列相同。在以pcr为基础的系统中,这很难在不牺牲信息密度的情况下实现,因为该系统无法区分引物结合序列和数据存储序列。
“多丽丝使我们大大增加了系统的信息密度,也使它更容易扩大规模来处理真正的大型数据库,”Kevin Lin说,他是该论文的第一作者,也是NC州立大学的博士生。
一旦DORIS识别出正确的DNA序列,它就不需要依靠PCR来进行复制。相反,桃瑞丝把DNA转录成RNA,然后RNA又转录回DNA,这样数据存储系统就可以读取了。换句话说,DORIS不必使用原始文件来读取它。
单股悬垂还可以修改,允许用户重命名文件、删除文件或“锁定”文件——有效地让其他用户看不到它们。
“我们已经开发了一个多丽丝的功能原型,所以我们知道它是有效的,”Keung说。“我们现在有兴趣扩大它的规模,加快它的速度,并将其放入一个设备中,使过程自动化,使其对用户更加友好。”
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