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“数据在我们的DNA中”:研究人员将DNA推进作为记忆材料

人的眼睛的颜色,土豆皮的厚度,花朵的形状:这些看似不同的元素有什么共同点?它们都是由DNA塑造的。脱氧核糖核酸(DNA)编码并携带塑造生命的遗传指令。但如果它能编码的不仅仅是基因信息,比如数字档案数据呢?

这听起来像是科幻电影里的情节,但在《自然通讯》杂志上发表的一项新研究中,美国博伊西州立大学核酸记忆研究所的成员透露,利用化学合成DNA的可编程特性,可能会发现数字存储的未来。

“我们只是利用DNA的信息密度和可编程性作为记忆材料,”Micron Material Scients教授Micron Materical Scients教授将Hughes。

威尔·休斯,约翰·凯利照片。

这种创新,被称为核酸记忆(NAM),利用DNA(腺嘌呤,鸟嘌呤,胞嘧啶,胸腺嘧啶)的第四纪代码来可靠地存储超出预测的传统记忆材料的信息,这些内存材料构成硬盘,固态驱动器和磁带。

由Micron Materials of Micrical of Micrical of Micrical Scients of Microsity Science of Micrositic Sc​​ients of Micro.和Research Scients George Dickinson,该团队能够将数字信息编码为DNA,使用光学显微镜读回来,对数据进行纠错,以确保完整性信息。另外,该技术不需要排序技术,这历史上已经需要阅读DNA信息。该团队的研究发表于4月22日在自然通信中,可以查看:https://www.nature.com/articles/s41467-021-22277-y

2018年对本研究的支持来自联邦,州和行业机构,包括高等教育研究委员会(HERC)爱达荷州全球创业使命(IGEM)的200万美元,以及来自国家科学基金会和半导体研究公司的150万美元。

因为工作生活在材料科学,计算机科学,生物工程和电气工程中,博伊西国家的一支多学科队伍,博伊西国家的学生一起举行了这种尖端研究。休斯表示,虽然研究人员各自来自截然不同的区域和研究领域,但事实上,这些人的构成及其技能使这项研究成为可能。

跨学科研究团队包括来自博伊西州的教师、博士后研究科学家和研究生的专业知识,包括:Hughes, George Dickinson, William Clay, Luca Piantanida, Christopher Green, Chad Watson, Elton Graugnard和Reza Zadegan的微米材料科学与工程学院;计算机科学系的Golam Mortuza和Tim Andersen;来自生物科学系的埃里克·海登;以及电气与计算机工程系的Wan Kuang。

“我们总是将DNA视为可以存储遗传信息的东西,但我们现在了解DNA的分子生物学,现在我们可以操纵它,而不是使用它来存储遗传信息,您可以将其作为建筑物材料,“Dickinson说。

这项研究来得正是时候。从娱乐流媒体服务到整个国家的政府档案,全球对数字信息的需求不断增长。数据行业目前的存储标准是闪存,它依赖于一种自然资源:硅。然而,有一个问题。

预计到2040年,全球数据存储和存储需求将超过硅的预计供应量。DNA是硅基存储器的一个重要的潜在替代品,因为它的体积密度是硅基存储器的1000倍,运行能量是闪存的1亿倍。虽然该团队并不认为DNA存储将完全取代闪存/电子存储,但它将在扩大关于可能的新材料和新方法的讨论方面发挥重要作用。

北卡罗莱纳州半导体研究公司的首席科学家维克多·日尔诺夫说:“如果我们不创造新技术,并开始寻找存储信息的不同方法,20年后我们可能就会用光硅。”“信息和数据存储是我们的经济和社会福利的主要驱动力之一。”

幸运的是,正如日尔诺夫所指出的,像在博伊西州立大学核酸记忆研究所正在测试的DNA存储方法,可能是解决未来世界信息存储不安全问题的答案。

在实验室里

在这项研究中,研究小组开始使用从噬菌体(一种寄生在细菌上的病毒)获得的一长串DNA作为支架。然后,研究小组用一种叫做“DNA折纸”的方法,将这条链自己折叠成一个“DNA实验板”。折叠过程是由被称为短链的DNA短链所支持的。一旦折叠,一些短链就会从DNA实验板延伸到编码数字信息的特定位置。

面包板简单地是一个表面,该表面容纳在可以一起构建和测试以形成原型的位置的电子元件,例如芯片和晶体管。DNA也可以通过这种方式使用并使用它们的四个第四节碱基连接。

由研究小组提供的一幅插图,描述了DNA的短链与支架DNA自组装,从而创建一个折纸面包板

接下来,该团队将一条信息编码到这些DNA实验板中:“数据在我们的DNA中!\n”。利用一种名为dna点积累纳米形貌成像(DNA-PAINT)的超分辨率显微镜技术,该团队能够以二进制编码的光学方式读取信息。

此外,该团队使用了能够弥补合成和阅读过程中的缺陷的纠错算法,使完全恢复编码的信息成为可能。

这项研究建立在拉尔夫·荣格曼(Ludwig Maximilian University of Munich的一位教授)早期工作的基础上,使数据编码和存储在DNA中成为可能,使其在数万年或数十万年后可访问,而不像现代的记忆存储。

作为这一目标的垫地磁石,该团队认为该研究可能在需要将少量数据编码成一个非常小的包装的应用中,这项研究可以证明是有价值的。

虽然档案存储是该领域的一个抱负目标,但是,数字核酸内存对于要求有限数量的数据具有高信息密度,冗余和拷贝数,例如加密条形码,“休斯的数字核酸内存是有吸引力的。