Genetici kunnen gegevens in synthetisch DNA opslaan als medium voor langdurige opslag vanwege de dichtheid, het kopieergemak, de lange levensduur en de duurzaamheid. Onderzoek in het veld was onlangs gevorderd met nieuwe coderingsalgoritmen, automatisering, bewaring en sequencing. Desalniettemin blijft de meest uitdagende hindernis bij de implementatie van DNA-opslag de schrijfdoorvoer, die de gegevensopslagcapaciteit kan beperken. In een nieuw rapport hebben Bichlien H. Nguyen en een team van wetenschappers in Microsoft Research en computerwetenschappen en engineering aan de Universiteit van Washington, Seattle, VS, de eerste schrijver voor DNA-opslag op nanoschaal ontwikkeld. Het team was van plan de DNA-schrijfdichtheid te schalen naar 25 x 10 ⁶ sequenties per vierkante centimeter, een verbeterde opslagcapaciteit in vergelijking met bestaande DNA-synthese-arrays. De wetenschappers hebben met succes een bericht in DNA geschreven en gedecodeerd om een ​​praktisch DNA-gegevensopslagsysteem op te zetten. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Science Advances .

Lange termijn DNA-archieven

Het huidige tempo van datageneratie overtreft de bestaande opslagcapaciteiten, DNA is een veelbelovende oplossing voor dit probleem bij een verwachte praktische dichtheid van meer dan 60 petabyte per kubieke centimeter. Het materiaal is duurzaam onder verschillende omstandigheden, relevant en gemakkelijk te kopiëren, met de belofte om duurzamer of groener te zijn dan commerciële media. Tijdens het proces kunnen digitale gegevens in de vorm van sequenties van bits worden gecodeerd in sequenties van de vier natuurlijke DNA-basen - guanine, adenine, thiamine en cytosine, hoewel aanvullende basen ook mogelijk zijn. Het team kan vervolgens de sequenties in moleculaire vorm schrijven via de novo DNA-oligonucleotidesynthese om specifieke moleculen te creëren op basis van een reeks herhalende chemische stappen. De resulterende oligonucleotiden kunnen na synthese worden bewaard en bewaard. Om toegang te krijgen tot de gegevens, kan de DNA-opslag worden geamplificeerd met behulp van polymerasekettingreacties en kan de sequentie worden bepaald om de DNA-basesequenties terug te brengen naar het digitale domein, waarna de DNA-basesequenties kunnen worden gedecodeerd om de oorspronkelijke sequentie van bits te herstellen.

In deze studie hebben Nguyen et al. produceerde een elektrode-array die onafhankelijke elektrode-specifieke controle van DNA-synthese demonstreerde met elektrodegroottes en pitches om de synthesedichtheid van 25 miljoen oligonucleotiden per cm te bepalen ² . Deze waarde wordt geschat als de elektrodedichtheid die nodig is om het minimale doel van kilobytes per seconde aan gegevensopslag in DNA te bereiken. Het team pushte de state-of-the-art in elektronisch-chemische controle en leverde experimenteel bewijs voor de schrijfbandbreedte die nodig is voor DNA-gegevensopslag.

Het team introduceerde een proof-of-concept moleculaire controller in de vorm van een klein schrijfmechanisme voor DNA-opslag op een chip. De chip kan de DNA-synthese stevig inpakken met een grootte van 3 orden hoger dan voorheen om een ​​grotere DNA-schrijfcapaciteit te bereiken. Om informatie in DNA op te slaan op de schaal die nodig is voor commercieel gebruik waren twee cruciale processen nodig. Eerst moest het team digitale bits (enen en nullen) vertalen in strengen synthetisch DNA die bits vertegenwoordigen met coderende software en een DNA-synthesizer. Vervolgens moeten ze de informatie kunnen lezen en decoderen tot op de bits om die informatie weer in digitale vorm te herstellen met een DNA-sequencer en decoderingssoftware.

Ontwikkelen van elektrochemische arrays voor functies op nanoschaal

Tijdens de traditionele synthese van DNA-ketens gebruiken wetenschappers een meerstapsmethode die bekend staat als fosforamidietchemie, waarbij een DNA-keten achtereenvolgens kan worden gekweekt door toevoeging van DNA-basen. Elke DNA-base bevat een blokkerende groep om meerdere toevoegingen van DNA-basen aan de groeiende keten te voorkomen. Bij hechting aan een DNA-keten kan zuur in de opstelling worden afgeleverd om de blokkerende groep te splitsen en de DNA-keten te primen om de volgende base toe te voegen. Tijdens elektrochemische DNA-synthese bevat elke plek in de array een elektrode en wanneer een spanning wordt aangelegd, wordt zuur gegenereerd op de werkelektrode (anode) om de groeiende DNA-ketens te deblokkeren, terwijl een equivalente base wordt gegenereerd op de tegenelektrode (kathode) . Het team voorkwam zuurdiffusie in de opstelling door een elektrode-array te ontwerpen, waarbij elke werkende elektrode waaromheen zuurvorming tijdens de DNA-synthese plaatsvond, in een putje werd verzonken en omringd door vier gemeenschappelijke tegenelektroden, d.w.z. kathoden die de basisvorming aanstuurden, om het zuur naar specifieke regio's. Nguyen et al. verifieerde de effectiviteit van het ontwerp met behulp van eindige elementenanalyse. Tijdens de experimenten deblokkeerde het zuur, wanneer het in voldoende concentratie werd gepresenteerd, de oppervlaktegebonden nucleotiden om het volgende nucleotide te laten koppelen. Met behulp van chips met kenmerkende vlekken om zuren in te sluiten, ontwikkelden ze elektrochemische arrays met vier individuele elektroden om de DNA-synthese te reguleren. Het team voerde vervolgens experimenten uit met twee fluorescerend gelabelde basen in groen en rood. Als proof of concept toonden ze het vermogen van het apparaat om gegevens te schrijven door vier unieke DNA-strengen, elk 100 basen lang, te synthetiseren met een gecodeerd bericht, zonder fouten.

Vooruitzichten:synthetiseren van korte oligonucleotiden op de elektrode-array voor gegevensopslag

Met behulp van de opstelling, Nguyen et al. demonstreerde ook ruimtelijk gecontroleerde synthese van korte oligonucleotiden op de elektrode-array om de maximale lengte van DNA te bepalen die kon worden gevormd. De wetenschappers creëerden een enkele DNA-sequentie met 180 nucleotiden en PCR-geamplificeerde producten van verschillende lengte uit de volledige lengte van de oligonucleotiden. Naarmate het amplicon langer werd, leken de verwachte PCR-producten zwakker en minder goed gedefinieerd, terwijl kortere amplicons sterkere en beter gedefinieerde banden vertoonden die wijzen op hogere synthesefouten. Op basis van de resultaten selecteerden de onderzoekers een sequentielengte van 100 basen voor gemakkelijke zuivering om een ​​praktische demonstratie van DNA-gegevensopslag te bieden zonder verdere optimalisatie. Op deze manier effende de proof-of-concept-methode die in dit werk door Bichlien H. Nguyen en collega's wordt gedemonstreerd, de weg voorwaarts om grootschalige en unieke DNA-sequenties parallel te genereren voor gegevensopslag. Het werk overtrof eerdere rapporten over dichte synthetische DNA-sequenties om een ​​eerste experimentele indicatie te bieden om de schrijfbandbreedte te bereiken die nodig is voor gegevensopslag op nanoschaal. De wetenschappers verwachten onmiddellijke toepassingen van de apparaten in de informatietechnologie en voorzien hun praktische toepassingen in materiaalwetenschap, synthetische biologie en grootschalige moleculaire biologie-assays. + Verder verkennen

Enzymatische DNA-synthese ziet het licht

© 2021 Science X Network