DNA数据存储的新方法使系统更具动态性和可扩展性

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。”