北卡羅來納州立大學的研究人員開發了基于DNA的信息存儲系統中標記和檢索數據文件的新技術，解決了廣泛采用DNA數據存儲技術的兩個主要障礙。

“DNA系統因其潛在的信息存儲密度而具有吸引力;理論上它們可以存儲在相當大小的傳統電子設備中存儲的數據量的十億倍，”詹姆斯塔克說，他是一篇關于這項工作的論文的共同通訊作者。北卡羅來納州電氣和計算機工程副教授。

“但這里面臨的兩大挑戰是，你如何識別包含你正在尋找的文件的DNA鏈?一旦你識別出這些鏈，你如何刪除它們以便它們可以被讀取 - 并且如果沒有摧毀了這股?“

“以前的工作已經提出了一個系統，它將短的，20個單體長的DNA序列稱為引物結合序列，存儲信息的DNA鏈的末端，”該論文的共同作者Albert Keung說道。北卡羅來納州化學與生物分子工程助理教授。“您可以使用與相應引物結合序列匹配的小DNA引物來鑒定包含所需文件的合適鏈。但是，這些結合序列估計只有30,000個，這對于實際應用是不夠的。我們想要找到克服這種局限的方法。“

為了解決這些問題，研究人員開發了兩種技術，它們一起稱為DNA富集和嵌套分離，或DENSe。

研究人員使用兩個嵌套的引物結合序列解決了文件識別挑戰。系統首先識別包含初始結合序列的所有鏈。然后，它對該子集的子集進行第二次“搜索”以挑出包含第二個結合序列的那些鏈。

“這使估計文件名的數量從大約30,000增加到大約9億，”塔克說。

一旦確定，仍然需要提取文件。現有技術使用聚合酶鏈式反應(PCR)來制備相關DNA鏈的許多(和大量)拷貝，然后對整個樣品進行測序。因為有很多拷貝的靶DNA鏈，它們的信號會壓倒樣品中其余的鏈，從而可以識別靶DNA序列并讀取文件。

“這種技術效率不高，如果你試圖從高容量數據庫中檢索數據，它就不起作用 - 系統中存在太多其他DNA，”Kyle Tomek博士說。北卡羅來納州立大學學生，該論文的共同主要作者。

因此，研究人員采用了不同的數據檢索方法，將幾個小分子標記中的任何一個附加到用于鑒定靶向DNA鏈的引物上。當引物找到目標DNA時，它使用PCR制作相關DNA的拷貝，并將拷貝附加到分子標簽上。

研究人員還利用涂有分子的磁性微珠，這些分子與給定標簽特異性結合。這些功能化的微珠“抓住”靶DNA鏈的標簽。然后可以用磁鐵取回微珠，用它們帶來靶DNA。

“這個系統允許我們檢索與特定文件相關的DNA鏈，而不必制作每條鏈的許多拷貝，同時還保留數據庫中的原始DNA鏈，”Keung說。

“我們已經使用樣本文件實驗性地實現了DENSe系統，并且已經證明它可以用于存儲和檢索文本和圖像文件，”Keung補充道。

“這些技術在串聯使用時，為開發具有現代容量和文件訪問功能的基于DNA的數據存儲系統打開了大門，”Tomek說。

“接下來的步驟包括擴大規模并使用更大的數據庫測試DENSe方法，”Tuck說。“成本面臨巨大挑戰。”

該論文“推動基于DNA的信息存儲系統的可擴展性”發表在ACS Synthetic Biology期刊上。