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雙質(zhì)粒編輯可以提高DNA數(shù)字存儲(chǔ)能力
Release Time：2022-08-08 基于DNA的信息是連接信息技術(shù)和生物技術(shù)的一個(gè)新的跨學(xué)科領(lǐng)域。 該領(lǐng)域希望通過(guò)使用 DNA 作為信息存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)滿足對(duì)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的巨大需求。 然而，盡管 DNA 具有強(qiáng)穩(wěn)定性、高存儲(chǔ)密度和低維護(hù)成本，但研究人員仍面臨著準(zhǔn)確重寫(xiě) DNA 序列中編碼的數(shù)字信息的問(wèn)題。
DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)一般有兩種模式，即“體外硬盤(pán)模式”和“體內(nèi)CD模式”。體內(nèi)模式的主要優(yōu)點(diǎn)是其通過(guò)細(xì)胞復(fù)制低成本、可靠地復(fù)制染色體DNA。由于這個(gè)特性，它可以用于快速和低成本的數(shù)據(jù)復(fù)制傳播。然而，由于某些信息的編碼DNA序列包含大量重復(fù)和均聚物的出現(xiàn)，因此這些信息只能“寫(xiě)入”和“讀取”，而不能準(zhǔn)確地“重寫(xiě)”。
為解決改寫(xiě)問(wèn)題，清華大學(xué)化學(xué)系劉凱教授、中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所李晶晶教授、浙江大學(xué)陳東教授領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)該研究小組最近開(kāi)發(fā)了一種雙質(zhì)粒編輯系統(tǒng)，用于準(zhǔn)確處理微生物載體中的數(shù)字信息。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。
研究人員利用設(shè)計(jì)合理的編碼算法和信息編輯工具在體內(nèi)建立了雙質(zhì)粒系統(tǒng)。這種雙質(zhì)粒系統(tǒng)適用于存儲(chǔ)、讀取和重寫(xiě)各種類型的信息，包括文本、密碼本和圖像。它充分探索了 DNA 序列的編碼能力，無(wú)需任何尋址索引或備份序列。同時(shí)兼容多種編碼算法，編碼效率高。例如，當(dāng)前系統(tǒng)的編碼效率達(dá)到每核苷酸 4.0 位。
為了在體內(nèi)重寫(xiě)存儲(chǔ)在外源 DNA 序列中的復(fù)雜信息時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和可靠性，使用了各種 CRISPR 相關(guān)蛋白 (Cas) 和重組酶。這些工具由其相應(yīng)的 CRISPR RNA (crRNA) 引導(dǎo)，以切割 DNA 序列中的目標(biāo)基因座，從而可以處理和重寫(xiě)特定信息。由于互補(bǔ)的核酸分子對(duì)之間的高度特異性，信息編碼的DNA序列被重組酶準(zhǔn)確地重建以編碼新的信息。由于對(duì)crRNA序列進(jìn)行了優(yōu)化，信息改寫(xiě)工具對(duì)復(fù)雜信息的適應(yīng)性更強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)了高達(dá)94%的改寫(xiě)可靠性，與現(xiàn)有的基因編輯系統(tǒng)相媲美。
雙質(zhì)粒系統(tǒng)可以作為基于DNA的體內(nèi)信息重寫(xiě)的通用平臺(tái)，從而為分子水平的大型復(fù)雜數(shù)據(jù)的信息處理和目標(biāo)特異性重寫(xiě)提供了新的策略。
“我們相信這種策略也可以應(yīng)用于具有更大基因組的活宿主，例如酵母，這將進(jìn)一步為大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)際應(yīng)用鋪平道路，”劉教授說(shuō)。
DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)一般有兩種模式，即“體外硬盤(pán)模式”和“體內(nèi)CD模式”。體內(nèi)模式的主要優(yōu)點(diǎn)是其通過(guò)細(xì)胞復(fù)制低成本、可靠地復(fù)制染色體DNA。由于這個(gè)特性，它可以用于快速和低成本的數(shù)據(jù)復(fù)制傳播。然而，由于某些信息的編碼DNA序列包含大量重復(fù)和均聚物的出現(xiàn)，因此這些信息只能“寫(xiě)入”和“讀取”，而不能準(zhǔn)確地“重寫(xiě)”。
為解決改寫(xiě)問(wèn)題，清華大學(xué)化學(xué)系劉凱教授、中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所李晶晶教授、浙江大學(xué)陳東教授領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)該研究小組最近開(kāi)發(fā)了一種雙質(zhì)粒編輯系統(tǒng)，用于準(zhǔn)確處理微生物載體中的數(shù)字信息。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。
研究人員利用設(shè)計(jì)合理的編碼算法和信息編輯工具在體內(nèi)建立了雙質(zhì)粒系統(tǒng)。這種雙質(zhì)粒系統(tǒng)適用于存儲(chǔ)、讀取和重寫(xiě)各種類型的信息，包括文本、密碼本和圖像。它充分探索了 DNA 序列的編碼能力，無(wú)需任何尋址索引或備份序列。同時(shí)兼容多種編碼算法，編碼效率高。例如，當(dāng)前系統(tǒng)的編碼效率達(dá)到每核苷酸 4.0 位。
為了在體內(nèi)重寫(xiě)存儲(chǔ)在外源 DNA 序列中的復(fù)雜信息時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和可靠性，使用了各種 CRISPR 相關(guān)蛋白 (Cas) 和重組酶。這些工具由其相應(yīng)的 CRISPR RNA (crRNA) 引導(dǎo)，以切割 DNA 序列中的目標(biāo)基因座，從而可以處理和重寫(xiě)特定信息。由于互補(bǔ)的核酸分子對(duì)之間的高度特異性，信息編碼的DNA序列被重組酶準(zhǔn)確地重建以編碼新的信息。由于對(duì)crRNA序列進(jìn)行了優(yōu)化，信息改寫(xiě)工具對(duì)復(fù)雜信息的適應(yīng)性更強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)了高達(dá)94%的改寫(xiě)可靠性，與現(xiàn)有的基因編輯系統(tǒng)相媲美。
雙質(zhì)粒系統(tǒng)可以作為基于DNA的體內(nèi)信息重寫(xiě)的通用平臺(tái)，從而為分子水平的大型復(fù)雜數(shù)據(jù)的信息處理和目標(biāo)特異性重寫(xiě)提供了新的策略。
“我們相信這種策略也可以應(yīng)用于具有更大基因組的活宿主，例如酵母，這將進(jìn)一步為大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)際應(yīng)用鋪平道路，”劉教授說(shuō)。
