DNA-gegevensopslag kan gemakkelijker te lezen en te schrijven zijn dan voorheen, volgens onderzoekers van de University of Cambridge Cavendish Laboratory in het Verenigd Koninkrijk. Ze rapporteren over een techniek die ook versleutelde gegevens kan opslaan, evenals het herschrijven van gegevens.

Het oorspronkelijke idee achter DNA-gegevensopslag is om lange DNA-moleculen te synthetiseren met op maat gemaakte sequenties van basiseenheden die coderen voor digitale gegevens. De gegevensdichtheid die door deze benadering wordt bereikt, is orden van grootte hoger dan die van bestaande magnetische of vastestoftechnologieën, en duurt duizenden in plaats van tientallen jaren. De lange levensduur en gegevensdichtheid van de opslag van DNA-gegevens zou bijzonder nuttig zijn voor gegevensarchieven, ware het niet dat er enkele belangrijke beperkingen zijn.

"Een van de grootste problemen is het maken van het DNA, " zegt Ulrich Keyser, hoogleraar toegepaste natuurkunde aan de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk. Hij legt uit dat het moeilijk is om de de nova DNA-moleculen te synthetiseren met voorgeschreven basiseenheidsequenties die lang genoeg zijn om gegevens op te slaan en dat er enzymen nodig zijn. “Met onze aanpak het is net als Legoblokjes. Je doet het gewoon door te mengen, opwarmen en afkoelen."

Het lezen van gegevens die zijn opgeslagen in de reeks van basenparen is ook traag en duur. Sequencing-technologie heeft een lange weg afgelegd, maar het vertrouwt nog steeds voornamelijk op het repliceren van miljarden kopieën van het molecuul om signalen van eiwitinteracties te versterken, enzovoort.

Een alternatieve sequentiebenadering leidt het DNA-molecuul door een nanoporie en leest de sequentie in realtime af van de veranderingen in ionenstroom wanneer verschillende basenparen passeren. Hoewel goedkoper en efficiënter, het uitlezen van bits van basenparen in de DNA-backbone duurt nog te lang voor dataopslagtechnologieën. Echter, door gegevens op te slaan over uitsteeksels die vastzitten op de hoofdruggengraat, Keyser en zijn team ontwikkelden een aanpak waarmee nanoporiëntechnologie gemakkelijk en nauwkeurig kan lezen, en eenvoudig mengen kan schrijven.

Door "toe hold" op te nemen in de overhang-geschreven gegevens, ze laten zien dat het gemakkelijk kan worden verwijderd en herschreven. "Ik was verrast dat het herschrijven werkte en zo eenvoudig kon zijn, omdat dit bij elke andere DNA-datatechniek erg moeilijk is, ' zegt Keyser.

Sensing potentieel

"Het idee waarmee we begonnen was voor het detecteren van versterking, " legt Kaikai Chen uit, de eerste auteur van de Nano-letters papier waarin deze resultaten worden vermeld. "Toen kwamen we op het idee voor dataopslag."

De sleutel tot de baanbrekende aanpak is om te controleren hoe overhangende enkelstrengs DNA wordt 'gegloeid'. Hoewel de volgorde van basenparen in de DNA-ruggengraat identiek is van het ene molecuul tot het andere, de onderzoekers annealen specifieke overhangen met complementair enkelstrengs DNA dat gebiotinyleerd is, terwijl de rest wordt gegloeid met gewoon enkelstrengs DNA. Waar de complementaire streng gebiotinyleerd is, zal deze binden met streptavidinemoleculen, die een gemakkelijk waarneembare verandering in de ionenstroom maakt wanneer het DNA door een nanoporie gaat, lezen als "1." Waar de overhangende DNA-streng geen streptavidine heeft, de geschreven gegevens zijn "0". De groep gebruikte erkende technieken op basis van moleculen die in specifieke regio's van het molecuul thuiskomen om de juiste complementaire streng op het juiste adres af te leveren.

De "steun" die herschrijven mogelijk maakt, is slechts een beetje extra enkelstrengs DNA dat uitsteekt na het functionaliseren, waardoor het gemakkelijk te verwijderen en opnieuw te schrijven. Als u de gebiotinyleerde strengen weglaat, blijven de gegevens versleuteld, omdat alleen iemand die de sequentie van de enkelstrengs DNA-overhangen kent, weet welke sequentie de complementaire streng moet hebben om de gebiotinyleerde strengen te leveren die zich met streptavidine zullen binden. en zo de enen van de nullen te onderscheiden.

Toekomst

De volgende uitdaging voor de technologie is schaalvergroting. Omdat ze een natuurkundig laboratorium hebben, Keyser ziet dit niet als de focus van hun volgende stappen als team, hoewel het in principe eenvoudig lijkt met het gebruik van pipetteerrobots of microfluïdica. "Er zijn al bedrijven die de microfluïdische producten aanbieden die kunnen worden gebruikt, ", voegt Chen toe.

De onderzoekers bekijken nu welke andere functionele groepen ze naast streptavidine kunnen gebruiken. "In principe, onze methode kan zich aanpassen aan verschillende functionaliseringen, " zegt Chen. Ze gebruikten streptavidine voor hun proof of principle omdat het een functionele groep is waarmee ze bekend zijn. "Het is heel eenvoudig en werkt goed, "voegt hij eraan toe. Echter, het gebruik van kleinere groepen kan opslag met een hogere dichtheid mogelijk maken.

Geen enkele keuze van functionele groep zal de gegevensdichtheid mogelijk maken die wordt bereikt door de gegevens op te slaan in de basenpaarvolgorde. Keyser suggereert dat dit ook zou kunnen verklaren waarom niemand er eerder aan dacht om de Lego-blokbenadering te proberen. Hoewel het werk in nieuwe technologieën de neiging heeft om de reeds gedemonstreerde technieken op te volgen in plaats van een orthogonale benadering te volgen, de focus op het optimaliseren van de gegevensdichtheid kan een extra afschrikmiddel zijn geweest. Nog, de voordelen van sneller, eenvoudiger lezen en schrijven, en vooral, herschrijven, kan de afweging de moeite waard maken. Herschrijfbare DNA-gegevensopslag biedt ook mogelijkheden voor DNA-berekeningen, die een alternatief zou kunnen bieden voor traditioneel computergebruik dat, hoewel langzaam, verbruikt zeer weinig energie en heeft dus waarde voor sommige toepassingen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk