Lagring av DNA-data kan bli lättare att läsa och skriva än tidigare, enligt forskare vid University of Cambridge Cavendish Laboratory i Storbritannien. De rapporterar om en teknik som också kan lagra krypterad data, samt skriva om data.

Den ursprungliga idén bakom DNA-datalagring är att syntetisera långa DNA-molekyler med skräddarsydda sekvenser av basenheter som kodar digital data. Datatätheten som uppnås med detta tillvägagångssätt är storleksordningar högre än befintliga magnetiska eller solid state-teknologier, och varar tusentals i motsats till tiotals år. Livslängden och datatätheten för DNA-datalagring skulle vara särskilt användbar för dataarkiv om det inte hade några betydande begränsningar.

"En av de största problemen är att göra DNA, säger Ulrich Keyser, professor i tillämpad fysik vid University of Cambridge i Storbritannien. Han förklarar att syntetisering av de nova DNA-molekyler med föreskrivna basenhetssekvenser tillräckligt långa för att lagra data är svårt och kräver enzymer. "Med vårt tillvägagångssätt, det är precis som legoklossar. Du gör det bara genom att blanda ihop, värms upp och kyls ner."

Att läsa data som lagras i sekvensen av baspar är också långsamt och dyrt. Sekvenseringsteknik har kommit långt, men det förlitar sig fortfarande mest på att replikera miljarder kopior av molekylen för att förstärka signaler från proteininteraktioner, och så vidare.

En alternativ sekvenseringsmetod passerar DNA-molekylen genom en nanopor och läser av sekvensen i realtid från förändringarna i jonströmmen när olika baspar passerar igenom. Även om det är billigare och mer effektivt, att läsa bitar från baspar i DNA-ryggraden tar fortfarande för lång tid för datalagringsteknik. Dock, genom att lagra data om överhäng som har fastnat på huvudryggraden, Keyser och hans team utvecklade ett tillvägagångssätt som nanopore-teknologi enkelt och exakt kan läsa, och enkel blandning kan skriva.

Genom att införliva "tåhåll" på överhängsskrivna data, de visar att det enkelt kan tas bort och skrivas om. "Jag blev förvånad över att omskrivningen fungerade och kunde vara så enkel, eftersom detta är mycket svårt med någon annan DNA-datateknik, säger Keyser.

Känner potential

"Idén som vi började med var att känna av förstärkning, " förklarar Kaikai Chen, den första författaren till Nanobokstäver papper som rapporterar dessa resultat. "Då kom vi på idén till datalagring."

Nyckeln till det banbrytande tillvägagångssättet är att kontrollera hur överhäng av enkelsträngat DNA "glödgas". Medan sekvensen av baspar i DNA-ryggraden är identisk från en molekyl till en annan, forskarna hybridiserar specifika överhäng med komplementärt enkelsträngat DNA som är biotinylerat medan resten hybridiseras med vanligt enkelsträngat DNA. När den komplementära strängen är biotinylerad kommer den att binda med streptavidinmolekyler, som gör en lätt detekterbar förändring i jonströmmen när DNA:t passerar genom en nanopor, läser det som "1." Där den överhängande DNA-strängen inte har streptavidin, data som skrivs är "0". Gruppen använde erkända tekniker baserade på molekyler som finns i specifika regioner av molekylen för att leverera den korrekta komplementära strängen till rätt adress.

"Tåhållet" som möjliggör omskrivning är bara lite extra enkelsträngat DNA som sticker ut efter funktionalisering, gör det enkelt att ta bort och skriva om. Att lämna de biotinylerade strängarna av lämnar informationen krypterad eftersom endast någon som känner till sekvensen för de enkelsträngade DNA-överhängen kommer att veta vilken sekvens den komplementära strängen behöver ha för att förse de biotinylerade strängarna som kommer att binda med streptavidin, och så skilja dem från nollorna.

Framtida

Nästa utmaning för tekniken skulle vara att skala upp. Eftersom de driver ett fysiklabb, Keyser ser inte detta som fokus för deras nästa steg som ett team, även om det verkar okomplicerat i princip med användning av pipetteringsrobotar eller mikrofluidik. "Det finns redan företag som erbjuder mikrofluidikprodukter som kan användas, " tillägger Chen.

Forskarna tittar nu på vilka andra funktionella grupper de kan använda förutom streptavidin. "I princip, vår metod kan anpassa sig till olika funktionalisering, " säger Chen. De använde streptavidin för sina principbevis eftersom det är en funktionell grupp de känner till. "Det är väldigt enkelt och fungerar bra, " tillägger han. Men Användning av mindre grupper kan tillåta lagring med högre densitet.

Inget val av funktionell grupp kommer att möjliggöra den datatäthet som uppnås genom att lagra data i basparsekvensen. Keyser föreslår att detta också kan förklara varför ingen tänkt på att prova legoklossmetoden tidigare. Även om arbete med ny teknik tenderar att följa upp de tekniker som redan demonstrerats snarare än att ta ett ortogonalt tillvägagångssätt, fokus på att optimera datatätheten kan ha fungerat som ett ytterligare avskräckande medel. Än, fördelarna med snabbare, enklare att läsa och skriva, och i synnerhet, skriva om, kan göra avvägningen värt det. Omskrivbar DNA-datalagring öppnar också möjligheter för DNA-beräkningar, som skulle kunna erbjuda ett alternativ till traditionell datoranvändning som, även om det går långsamt, använder väldigt lite energi och har därför värde för vissa applikationer.

© 2020 Science X Network