最大容量的估計(jì)預(yù)測(cè)一克單鏈DNA可以存儲(chǔ)多達(dá)一個(gè)exabyte的數(shù)據(jù)
在20世紀(jì)80年代首次證明了將信息編碼到DNA中,但當(dāng)時(shí)的技術(shù)只允許編碼一個(gè)圖形符號(hào)。雖然這個(gè)容量在過(guò)去的30年中有所增長(zhǎng),但是迄今為止最大的項(xiàng)目,在2010年完成,僅管理了7,920位數(shù)據(jù),相當(dāng)于大約半頁(yè)的打印文本。哈佛大學(xué)和約翰霍普金斯大學(xué)的研究人員今天在“ 科學(xué)”雜志上使用了一種新技術(shù),現(xiàn)已將一本53,000字的書(shū)編成DNA,包括11個(gè)JPG圖像和一個(gè)JavaScript程序。
“其他人指出,DNA具有一定的優(yōu)勢(shì),”研究報(bào)告的共同作者Sriram Kosuri說(shuō)。“但是沒(méi)有人真正把它帶到我們能夠編寫(xiě)真正有用的信息量的水平。”
這些優(yōu)點(diǎn)包括可以存儲(chǔ)的信息密度:最大容量的估計(jì)預(yù)測(cè)一克單鏈DNA可以存儲(chǔ)多達(dá)一個(gè)exabyte(10 18字節(jié))的數(shù)據(jù)。然而,合成和測(cè)序DNA帶來(lái)許多固有的錯(cuò)誤。合成DNA通常在每70個(gè)中具有一個(gè)不正確的核苷酸,并且下一代測(cè)序技術(shù)在解釋存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)犯許多錯(cuò)誤。
為了克服這些錯(cuò)誤,團(tuán)隊(duì)將基數(shù)A和C分配為0,將G和T分配為1,從而創(chuàng)建數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。手稿及其伴奏 - 由該研究的一位作者喬治·丘奇共同撰寫(xiě)的一本書(shū)的草稿,稱為“ 再生:合成生物學(xué)將如何重塑自然和我們自己” - 在被翻譯成0流和之前被轉(zhuǎn)換為HTML。 1s可以寫(xiě)入DNA序列。得到的流長(zhǎng)5.27兆比特,或527百萬(wàn)0和1秒。
以前的方法在嘗試在一個(gè)長(zhǎng)DNA序列中創(chuàng)建整個(gè)流時(shí)遇到了問(wèn)題,這是一個(gè)棘手且昂貴的過(guò)程。該團(tuán)隊(duì)的解決方案是將流分成更小的部分。他們編碼每個(gè)短核苷酸部分96位,稱為寡核苷酸,每個(gè)核苷酸包含一個(gè)19位“地址”,以便對(duì)整個(gè)序列中的信息進(jìn)行排序。每種寡核苷酸合成多次,因此在讀取時(shí),可以在每個(gè)拷貝中比較錯(cuò)誤并且可以達(dá)到共識(shí)讀數(shù)。
“這與你對(duì)人類基因組進(jìn)行測(cè)序的方式類似,你不會(huì)對(duì)它進(jìn)行一次排序,你可以按30或50倍的順序進(jìn)行排序,你只需在每個(gè)位置做出共識(shí),”Kosuri說(shuō)。
合成序列并將DNA滴連接到微陣列芯片后,將數(shù)據(jù)在4攝氏度下儲(chǔ)存3個(gè)月,然后溶解在水中,通過(guò)PCR擴(kuò)增,并測(cè)序。通過(guò)存儲(chǔ)多個(gè)副本,并對(duì)每個(gè)副本進(jìn)行多次排序以達(dá)成共識(shí),該團(tuán)隊(duì)設(shè)法解碼了整個(gè)527萬(wàn)位序列,只有10位錯(cuò)誤。
“他們提出了一種非常聰明的方法來(lái)管理信息創(chuàng)建中的錯(cuò)誤,”應(yīng)用分子進(jìn)化基金會(huì)的合成生物學(xué)家Steven Benner說(shuō),他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。“[作者]提供了一些巧妙的方法來(lái)解決這些問(wèn)題,允許在大量分子中讀取含有所需信息的少數(shù)分子。”
雖然DNA存儲(chǔ)不可重寫(xiě),并且不打算替換您的硬盤(pán),但是在非常小的空間內(nèi)長(zhǎng)期存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的想法對(duì)于存檔記錄和數(shù)據(jù)具有優(yōu)勢(shì)。與像CD一樣的平盤(pán)相比,只有表面上刻有數(shù)據(jù),一張DNA在整個(gè)厚度上都有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。然而,仍然存在的主要挑戰(zhàn)是當(dāng)今合成和測(cè)序技術(shù)的成本和效率,這些技術(shù)目前使該系統(tǒng)不適合常規(guī)使用。然而,隨著測(cè)序成本的持續(xù)下降和技術(shù)的不斷發(fā)展,這種DNA存儲(chǔ)策略可能很快變得更加實(shí)用。
必須克服的另一個(gè)挑戰(zhàn)是保護(hù)。DNA仍然可以從數(shù)千年前干燥的木乃伊中測(cè)序,但這種序列很少完成。
“DNA的化學(xué)反應(yīng)不容易發(fā)展到世紀(jì)級(jí)的被動(dòng),無(wú)包裝的檔案,”本納說(shuō)。“然而,鑒于其存在極高密度存儲(chǔ)的潛力,本文應(yīng)該鼓勵(lì)人們應(yīng)對(duì)基于分子的信息存儲(chǔ)的挑戰(zhàn)。”
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