作者:Phys Thamarasee Jeewandara
（同organic）有机 与现有技术相比，DNA数据存储需要更高的合成通量
(一至四)脱氧核糖核酸数据存储管道概述
(一)数字数据从它们的二进制表示被编码成脱氧核糖核酸碱基序列，带有使它们与数据对象相关联的标识符、用于在读取时对数据重新排序的寻址信息以及用于纠错的冗余信息
(二)这些序列被合成为脱氧核糖核酸寡核苷酸并储存
在检索时，通过聚合酶链反应或其他方法选择和复制脱氧核糖核酸分子，并测序回这些序列中碱基的电子表示
(D)解码过程采用这种有噪声且有时不完整的序列读取集，纠正错误和缺失序列，并解码信息以恢复数据
(五)文献中或公司自己报告的商业合成过程和相应的寡核苷酸估计密度的概述
我们的电化学方法密度以暗红色突出显示
信用:科学进展，10
1126/sciadv
abi6714 遗传学家可以将数据存储在合成DNA中，作为长期存储的媒介，因为它密度大、易于复制、寿命长且可持续
该领域的研究最近有了新的编码算法、自动化、保存和测序
然而，DNA存储部署中最具挑战性的障碍仍然是写吞吐量，这可能会限制数据存储容量
在一份新的报告中
阮和美国西雅图华盛顿大学微软研究院和计算机科学与工程的一组科学家
S
，开发了第一个纳米级DNA存储写入器
该团队打算将DNA写入密度扩大到每平方厘米25×106个序列，与现有的DNA合成阵列相比，存储容量有所提高
科学家们成功地在脱氧核糖核酸中写入并解码了一条信息，建立了一个实用的脱氧核糖核酸数据存储系统
研究结果现已在科学进展发布
长期DNA档案 当前数据生成的速度超过了现有的存储容量，DNA是解决这个问题的一个有希望的解决方案，预期实际密度超过60pb每立方厘米
该材料在各种条件下都是耐用的，相关且易于复制，有望比商业媒体更可持续或更环保
在这个过程中，以比特序列形式的数字数据可以被编码在四种天然DNA碱基序列中——鸟嘌呤、腺嘌呤、硫胺素和胞嘧啶，尽管额外的碱基也是可能的
该团队接下来可以通过从头合成脱氧核糖核酸寡核苷酸将序列写入分子形式，以一系列重复的化学步骤为基础创建特定的分子
合成后可以保存和储存所得的寡核苷酸
为了访问数据，可以使用聚合酶链式反应来扩增DNA存储，并对其进行测序，以将DNA碱基序列返回到数字域，然后可以对DNA碱基序列进行解码，以恢复原始的位序列
650纳米阵列间距2微米概述
(A)用沿y = x平面的横截面视图和z = 0平面的自上而下视图描述了在具有200纳米孔的650纳米直径电极上阳极酸产生和扩散的有限元分析
蓝色和黄色分别代表酸浓度相对较低和较高的区域
(三)纳米尺度DNA合成阵列概述，包括650纳米电极阵列的扫描电子显微镜图像和一个电极的放大图
(4)荧光图像，其中围绕每个活化阳极的孔用AAA-荧光素图案化
卡通图描述了布局中的哪些电极被激活
(E)用AAA-荧光素和AAA-AquaPhluor图案化的孔的图示，以及(F)在相同的650纳米电极阵列上合成的DNA末端的两个荧光团的相应图像重叠
信用:科学进展，10
1126/sciadv
abi6714 一种新的合成DNA数据存储方法 在这项研究中，Nguyen等人
产生了一个电极阵列，该阵列展示了用电极尺寸和间距对DNA合成的独立电极特异性控制，以建立每平方厘米2500万个寡核苷酸的合成密度
该值被估计为达到DNA中每秒千字节数据存储的最小目标所需的电极密度
该团队推动了电子化学控制的最新发展，并为DNA数据存储所需的写入带宽提供了实验证据
该团队引入了一种概念验证分子控制器，其形式是芯片上的微型DNA存储写入机制
该芯片可以将DNA合成紧密封装，比以前高3个数量级，以实现更大的DNA写入吞吐量
以商业用途所必需的规模在DNA中存储信息需要两个关键过程
首先，研究小组必须用编码软件和DNA合成器将数字位(1和0)翻译成代表位的合成DNA链
然后，他们必须能够读取信息并将信息解码回其位，以便使用DNA测序仪和解码软件再次将信息恢复为数字形式
使用脱氧核糖核酸合成的脱氧核糖核酸储存过程
软件将数字位编码成DNA序列的电子表示，合成发生以将信息写入并保存到DNA分子中
为了读取这些信息，DNA分子被测序，然后软件将这些信息解码成数字比特
动画学分:微软研究博客，学分:科学进展，10
1126/sciadv
abi6714 开发用于纳米特征的电化学阵列 在传统的合成DNA链的过程中，科学家们使用一种称为亚磷酰胺化学的多步骤方法，在这种方法中，可以通过添加DNA碱基来顺序生长DNA链
每个碱基都包含一个封闭基团，以防止多个碱基添加到生长链中
在连接到DNA链上时，酸可以在装置中输送，以切割封闭基团并引发DNA链以添加下一个碱基
在电化学DNA合成过程中，阵列中的每个点都包含一个电极，当施加电压时，在工作电极(阳极)上产生酸来解封闭正在生长的DNA链，而在反电极(阴极)上产生等价的碱
研究小组通过设计一个电极阵列来防止酸在装置中扩散，其中在DNA合成过程中酸形成所围绕的每个工作电极被沉入一个孔中，并被四个公共的反电极，即
e
驱动碱形成的阴极，将酸限制在特定区域
阮等人
通过有限元分析验证了设计的有效性
在实验期间，当以足够的浓度存在时，酸解封闭表面结合的核苷酸，以允许下一个核苷酸偶联
利用含有特征点的芯片来限制酸，他们开发了具有四个独立电极的电化学阵列来调节DNA合成
然后，研究小组用绿色和红色两种荧光标记的碱基进行实验
作为概念的证明，他们展示了该设备通过合成四条独特的DNA链来写入数据的能力，每条DNA链长100个碱基，带有编码信息，没有错误
合成后测序产生的错误
合成和聚合酶链反应扩增的180个碱基序列的每个位置的插入、缺失和取代
(二)聚合酶链反应扩增后合成产物的电泳图像
(三)信息编码成64字节，分成四个104个碱基的独特序列(上)
多重合成运行中四个序列的每个基因座的插入、缺失和取代
在每个误差分析图中，3’和5’末端的20个碱基都来自于PCR中使用的引物，并不代表合成误差
信用:科学进展，10
1126/sciadv
abi6714 用纳米电极井扩展脱氧核糖核酸数据存储
芯片上微小的DNA存储写入机制
信用:微软研究博客，科学进展，10
1126/sciadv
abi6714 展望:在电极阵列上合成短寡核苷酸用于数据存储 使用该设置，Nguyen等人
还证明了电极阵列上短寡核苷酸的空间控制合成，以评估可以形成的DNA的最大长度
科学家们创造了一个包含180个核苷酸的单一DNA序列，并从寡核苷酸的全长中聚合酶链反应扩增出不同长度的产物
随着扩增子变得更长，预期的PCR产物看起来更模糊、更不清晰，而较短的扩增子显示出更强、更清晰的条带，表明合成误差更高
基于这些结果，研究人员选择了100个碱基的序列长度，以便于纯化，从而提供了无需进一步优化的DNA数据存储的实际演示
通过这种方式，比奇林·H在本工作中展示的概念证明方法
Nguyen和他的同事为并行生成大规模和独特的DNA序列用于数据存储铺平了道路
这项工作超越了以前关于密集合成DNA序列的报告，首次提供了实验性的指示，以实现纳米级特征尺寸的数据存储所需的写入带宽
科学家们期待这些设备在信息技术中的直接应用，并预见它们在材料科学、合成生物学和大规模分子生物学分析中的实际应用
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
