DNA信息存储的机遇与挑战

在高度信息化的现代社会中,现有的硅基存储资源将难以满足爆炸式增长的信息总量.基于DNA介质的信息存储融合了多个学科领域,提供了一种新的存储模式,并在世界范围内取得了相当的进展.该文首先对目前DNA信息存储所取得的进展进行梳理归纳,继而总结了DNA信息领域现阶段所面临的关键问题,最后对DNA信息存储领域未来进行展望,以期...     

纳米孔测序信号处理及其在DNA数据存储的应用

随着高通量测序技术的不断更新,可以在单个分子水平读取核苷酸序列的第三代测序技术迅速发展,纳米孔测序技术是其具有代表性的单分子测序技术,该技术通过检测DNA单链分子穿过纳米孔时引起的跨膜电流信号的变化,实现碱基识别.纳米孔测序仪在便携性、碱基读取速度、测序读段长度等方面较传统的第一代与第二代测序技术都有明显优势.随着纳米...     

DNA存储中的编码技术

脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic Acid, DNA)是一种天然的信息存储介质,具有存储密度高、存储时间长、损耗率低等特点。在传统存储方式不能满足信息增长的需求时,DNA数据存储技术逐渐成为研究热点。DNA编码是用尽可能少的碱基序列无错的存储数据信息,包括压缩(尽可能少的占用空间)、纠错(无错存储)和转换(数字信息转为碱基序列)3部分。DNA编码是DNA存储中的关键技术,它的结果直接影响存储性能的优劣和数据读写的完整。本文首先介绍DNA存储的发展历史,然后介绍DNA存储的框架,其中重点介绍DNA编码技术,最后对DNA存储中的编解码技术的未来发展方向进行讨论。     

DNA合成技术及应用

DNA从头合成技术是指以寡核苷酸链为起始的合成DNA片段的技术,其不断进步是合成生物学快速发展的基石之一。常规使用的连接介导的DNA合成技术和PCR介导的DNA合成技术日益成熟,精确合成长度已经达到0．5—1kb。微阵列介导的DNA合成技术不断发展,其低成本、高通量的特点吸引了人们的注意;而酵母体内DNA合成技术的成功探索也为体外DNA合成提供了一种补偿方法。DNA合成在优化密码子用于异源表达、构建异源代谢途径、合成人工基因组以及合成减毒病毒用于疫苗研制等方面有广泛应用。综述了DNA从头合成技术的研究进展,并介绍了DNA合成的前沿应用。     

DNA数据存储技术原理及其研究进展

信息生产与数据存储能力之间的差距日益扩大,急需分子数据存储等高密度持久性信息保存替代方案,基于脱氧核糖核酸(DNA)的数据存储因在信息保留时间、物理密度和体积编码容量等方面优于多数传统存储介质,而广受关注.本文概述了DNA数据存储技术的基本原理,总结了体外DNA存储数据库与体内分子存储器系统的研究进展,讨论了基于DNA分子的数据存储系统所涉及的各种影响因素以及面临的挑战.     

DNA组装技术

DNA组装是合成生物学研究的核心技术。随着合成生物学的发展,研究者开发了依赖于DNA聚合酶或DNA连接酶的不同DNA组装技术;为了降低组装成本和便于实现DNA组装的自动化,也发展了一些非酶依赖的DNA组装技术;而几百kb到Mb的大片段DNA的组装则多数依赖于微生物体内重组。文中主要综述了酶依赖、非酶依赖和体内同源重组三类DNA组装技术及其发展情况。     

从DNA合成技术角度阐述合成生物学

合成生物学是一个拥有巨大潜力的新兴学科,合成生物学技术的发展将会对未来生物、医药、农业、能源、材料和环保等方面产生巨大的推进作用。基因合成是合成生物学中最基本和使用最多的一种技术手段,合成生物学的快速发展对基因合成能力提出了空前需求。综述基因合成技术的发展历史、现状和未来趋势,探讨基因合成技术存合成生物学以及整个生命科学研究中的应用和重要意义。     

DNA组装新方法的研究进展

2010年,蕈状支原体Mycoplasma mycoides的人工合成,迎来了合成生物学的崭新时代.这种突破性的进展主要得益于酵母自身强大的DNA体内重组能力.近几年来,除了利用体内重组的DNA大片段拼接技术,基于连接或聚合思想的不同尺度的DNA体外组装方法也相继出现,如Biobrick\Bglbrick、SLIC与Gibson等温一步法等,这些方法的应用加快了合成生物学功能元件库、生物合成途径乃至微生物染色体的人工构建.事实上,目前所建立的各种DNA组装方法,均是由DNA分子拼接理念(包括两分子衔接思想与多片段组装模式)衍生而来.文中将在介绍DNA组装基本理念的基础上,对体内、体外主要的DNA组装方法进行简要梳理,希望为不同类型的合成生物学功能器件及生物合成途径的构造提供参考与借鉴.     

合成生物数据库与大数据智能分析展望

合成生物通过"设计-构建-测试-学习"闭环研究积累海量数据,推动合成生物数据储存、共享和分析等方面的发展.该文以合成生物数据库和数据智能分析为核心内容,描述了合成生物数据库建设的现状,讨论了合成生物数据质控和标准、存储和共享等方面的瓶颈问题和未来发展;另一方面,概述了人工智能技术在合成生物大数据智能分析方面的关键进展,...     

合成生物学技术的研究进展——DNA合成、组装与基因组编辑

合成生物学作为一门新兴学科,其目标主要有两点:一是利用非天然的分子使其出现生命的现象,也就是―人造生命‖;二是―改造生命‖,比如利用一种生命体的元件(或经过人工改造),组装到另一个生命体中,使其产生特定功能。无论是哪种目的,对生命遗传物质DNA的操作都非常关键,其具体包括DNA的从头合成、组装和编辑等。同时,这些使能技术的进步也促进了合成生物学其他领域的发展。本文介绍了DNA操作相关的合成生物学使能技术的最新进展。     

Hierarchical gene synthesis using DNA microchip oligonucleotides

High-cost of oligonucleotides is one of the major problems to low-cost gene synthesis. Although DNA oligonucleotides from cleavable DNA microchips has been adopted for the low-cost gene synthesis, construction of DNA molecules larger than 1 kb has been largely hampered due to the difficulties of DNA assembly associated with the negligible quantity of chip oligonucleotides. Here we report a hierarchical method for the synthesis of large genes using oligonucleotides from programmable DNA microchips. Using this hierarchical method, we successfully synthesized 1056 bp Dpo4 and 2325 bp Pfu DNA polymerase genes as models. This hierarchical strategy can be further expanded for the syntheses of multiple large genes in a scalable manner.     

基于属性分离存储的种质数据组织方法

传统的作物种质数据组织方法,针对不同作物种类建立不同数据表,这种方法已不能有效适应种质数据综合分析的需要.本文提出了一种基于属性分离存储的种质数据组织方法,根据种质的每个属性分别建立数据表,各属性间没有从属关系.该方法可统一数据查询操作,优化查询过程,提高分析效率,具有灵活、可扩展的特点,可以方便地集成与种质分析相关的数据,适用于种质资源分布式数据库和相关信息系统的建立.     

基于DNA序列数据挖掘算法研究

引入数据挖掘技术,研究DNA序列数据内在规律性,并给出DNA序列分类问题的算法．综合考虑碱基组的出现概率以及相邻氨基酸之间的关系,从DNA序列片段的个案中密码子分布密度角度出发,提取出已知类别的DNA序列片段的特征;应用分类的逐步判别分析方法,剔除判别能力不显著的变量,给出DNA序列分类的判别函数．仿真结果表明,该算法具有分类计算公式简单且分类结果精度的优点．     

Positive selection improves the efficiency of DNA assembly

With the advent of synthetic biology and cell engineering, the demand for large synthetic DNA fragments has been steadily increasing. Consequently, a number of multi-fragment cloning technologies optimized for the assembly of sizable DNA constructs have been developed. Still, screening for the right clone can be tedious because the high incidence of illegitimate assembly results in a relatively large proportion of missing or shuffled DNA elements. To mitigate this risk, we have developed a strategy that reduces the rate of fragment mis-assembly and is compatible with a variety of cloning methodologies. The approach is based on the positive selection of truncated plasmid markers, which are rendered active by providing their missing sequences during the assembly process. The method has been successfully validated in the context of complex in vivo and in vitro homologous recombination workflows, but it could be readily adapted to other cloning strategies, including those based on restriction endonucleases.     

Synthetic DNA and Biology

Most of the significant work has been summarized in a number of reviews and articles. In these there was, of necessity, a good deal of simplification and omission of detail .... With the passage of time, even 1 find myself accepting such simplified accounts.The Nobel lecture given on December 8, 1993 by Dr. M. Smith and published in Les Prix Nobel 1993, printed by Norstedts Tryckeri, Stockholm, Sweden 1994, republished here with the permission of the Nobel Foundation, the copyright holder.