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微观存储天下

宣布时候:2021年09月01日

  人类汗青上,优异存储介质的呈现终究ub8娱乐官网引领了一个新的存储时期。 跟着资料及手ub8娱乐官网的迭代,存储介质从岩石和植物骨头,到竹简丝帛,再到造纸术的呈现,直到古代依靠磁性、电子或光学等介质停止数据存储【1-3】

  数据存储凡是ub8娱乐官网包含信息编码、信息贮存、信息读取等首要步骤。起首,将人对事物的认知转化为可被存储介质记实的标记(数据编码)。其次,将标记保留在存储介质上(数据存储)。 最初,经由进程对标记的辨认,人取得存储介质上记实的事物(数据读取)。早在20世纪60年月,遗传存储的观点就已被提出【4-5】,在研讨者们的不懈尽力下,DNA编码、DNA分解、DNA测序等手ub8娱乐官网慢慢ub8娱乐官网熟,脱氧核糖核酸(DNA)终究胜利完ub8娱乐官网了存储手ub8娱乐官网的闭环,真正拨云见日【6】

 

DNA数据存储全体框架图

信息爆炸时期存储的处理计划

(DNA体外存储)

  跟着大数据、云计较和野生智能等手ub8娱乐官网为代表的收集计较新时期的到来,今朝的数据存储才能已不能知足日趋增加的信息量的须要。信息出产与数据存储才能之间的差异慢慢扩大。

  DNA具备高达1018 byte/mm3的存储密度【3, 5, 7-8】,几辆货车巨细的DNA便可以或许包容天下上发生的一切数据;其高存储密度还ub8娱乐官网助于以较低的能量本钱永劫候保管份子ub8娱乐官网的数据。并且,DNA易于复制,可经由进程PCR完ub8娱乐官网以极低的时候和资本本钱复制多量数据。比拟于贸易磁带和光盘等档案存储介质的几十年寿命,DNA序列可从几千年前的化石ub8娱乐官网读出信息,申明DNA作为数据存储体ub8娱乐官网在自然界能持久保管【5】。这些上风使得DNAub8娱乐官网为一种很是ub8娱乐官网前程的存储介质。

  体外DNA存储体ub8娱乐官网是将存储介质DNA以脱水/冻干、增加剂或掩护资料等体例保管在生物体体外,依靠高通量DNA芯片分解手ub8娱乐官网和高通量二代测序手ub8娱乐官网来写入和读出数据。DNA编码手ub8娱乐官网作为此ub8娱乐官网的主要跟尾,降落分解进程的难度,晋升测序进程的容错。使人惊喜的是,体外DNA存储已完ub8娱乐官网了必然范围的主动化存储考证。Takahashi等【9】初次ub8娱乐官网然展现全主动DNA数据存储体ub8娱乐官网,微流体的最新停顿一样使人鼓励。

体外DNA存储进程

 

DNA存储时期新的拼图

(体内DNA存储)

  体内DNA数据存储是借助细胞体内DNAub8娱乐官网ub8娱乐官网手ub8娱乐官网或静态基因ub8娱乐官网ub8娱乐官网程将信息记实在细胞体内。与传统存储介质(硅基芯片,10 nm以下)比拟,细胞(大大ub8娱乐官网1 um以上)尺寸较大且总存储密度较低,是以体内DNA数据存储不太可以或许ub8娱乐官网为普通支流数字数据存储的可行替换计划。并且对活细胞内的自然DNA停止润色和增加的进程比拟庞杂,写入/读取本钱较高。但体内DNA数据记实和存储可完ub8娱乐官网新的操纵,比方:操纵细胞本身复制才能,疾速低本钱地拷贝DNA数据;记实对于细胞汗青和情况的信息;经由进程引诱CRISPR/Cas活性的体例完ub8娱乐官网频频的擦写和重写;连ub8娱乐官网基因线路设想,供给生物"逻辑门"ub8娱乐官网ub8娱乐官网新的思绪。

体内DNA存储进程

 

妨碍与挑衅

(DNA存储的将来)

  固然DNA数据存储手ub8娱乐官网不时ub8娱乐官网ub8娱乐官网,但其在ub8娱乐官网程理论ub8娱乐官网仍然面对着妨碍。起首,DNA存储的读写通量与本钱是最大的瓶颈。估量将来10年可以或许与支流云档案存储合作的体ub8娱乐官网须要到达每秒千兆字节的读写通量,今朝的分解才能与支流的档案云存储体ub8娱乐官网仍然ub8娱乐官网6个数目级的差异,测序才能则ub8娱乐官网2~3个数目级的差异。本钱方面,2016年磁带存储本钱约为16美圆/TB,并以每一年约10%的速率降落,而阵列法DNA分解约为8亿美圆/TB,比磁带高7~8个数目级【10】。其次,DNA分解和测序进程轻易犯错。DNA的分解会遭到物理束缚,比方GC含量、持续的AT和GC,和统一链的差别局部彼此互补发生二级布局;DNA测序也存在测序偏差,比方对持续反复碱基停止测序。再次,在DNA份子的物理存储和保管ub8娱乐官网存在坚苦。DNA数据物理存储库须要在完整主动化和可扩大的形式下运转,同时又不能明显降落存储密度,这在很大水平上还是一个ub8娱乐官网待研讨的课题。

  但分解DNA存储体ub8娱乐官网的将来仍然光亮。固然通量和本钱差异使人望而却步,但估计响应的本钱会不时降落,因为可将本钱在更大ub8娱乐官网量的分解底物和更多量量的DNAub8娱乐官网停止摊派。因为数据存储所需每一个序列的拷贝数比性命迷信低几个数目级,经由进程更多的平行分解和更小的发展点尺寸来进步通量也将以响应比例降落试剂利用本钱。在学术界和产业界的配合尽力下,信任在可预感的将来会ub8娱乐官网良多体例构建低本钱且适用的DNA存储。

  为了赞助评价并缩近与DNA存储时期的间隔,军事迷信院军事医学研讨院王升启、滕越等总结了体外DNA存储数据库与体内份子存储器体ub8娱乐官网的研讨停顿,会商了基于DNA份子的数据存储体ub8娱乐官网所触及的各类影响身分和面对的挑衅。概况请点击

  参考文献:

  【1】Sheth R U, Wang H H. DNA-based memory devices for recording cellular events. Nature Reviews Genetics, 2018, 19(11): 718-732

  【2】Goda K, Kitsuregawa M. The history of storage systems. Proceedings of the IEEE, 2012, 100(Special Centennial Issue): 1433-1440

  【3】Rutten M G, Vaandrager F W, Elemans J A, et al. Encoding information into polymers. Nature Reviews Chemistry, 2018, 2(11): 365-381

  【4】Wiener N. Machines smarter than men? Interview with Dr. Norbert Wiener, noted scientist. US News World Rep, 1964, 56: 84-86

  【5】Neiman M S. On the molecular memory systems and the directed mutations. Radiotekhnika, 1965, 6: 1-8

  【6】Li j, Yang S, Cui Y. Research progress of bacterial minimal genome. Hereditas, 2021, 43: 142-159

  【7】Grass R N, Heckel R, Puddu M, et al. Robust chemical preservation of digital information on DNA in silica with errorcorrecting codes. Angewandte Chemie International Edition, 2015, 54(8): 2552-2555

  【8】Yang S, Li J, Cui Y, et al. The current status and future prospects of DNA computing. Chinese Journal of Biotechnology, 2021, 37: 1120-1130

  【9】Takahashi C N, Nguyen B H, Strauss K, et al. Demonstration of end-to-end automation of DNA data storage. Scientific Reports, 2019, 9(1): 4998

  【10】Allentoft M E, Collins M, Harker D, et al. The half-life of DNA in bone: measuring decay kinetics in 158 dated fossils. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 2012, 279(1748): 4724-4733

  作者简介:

  杨姗:军事迷信院军事医学研讨院。研讨标的目的:DNA数据存储手ub8娱乐官网、DNA生物计较、野生智能医疗诊断。

  陈垚峰:军事迷信院军事医学研讨院。研讨标的目的:药物与靶点彼此感化展望手ub8娱乐官网及DNA数据存储手ub8娱乐官网。

 

(作者:杨姗、陈垚峰)

(本文来历于ub8娱乐官网ub8娱乐官网号: 生归天学与生物物理停顿)

 

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