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数据存储的科研概况国际对比与分析

全球数据量快速增长,成为数字经济发展的核心引擎,但传统数据存储介质受到功耗、体积、成本等限制,难以满足不断增长的数据存储需求。以脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)分子作为存储介质的新型存储方式引起了国内外高度重视,世界主要国家均对其研究进行了顶层规划,部署了一系列重要科研计划。但是,DNA数据存储作为一个新兴交叉研究领域,其发展的“源”与“流”仍存在需要深入分析的问题。针对该问题,从信息、半导体与合成生物学交叉融合的角度深入挖掘DNA数据存储发展的源头,对近年来国际上主要国家与地区在DNA数据存储领域的发展规划进行分析归纳,梳理国内外的科研项目规划布局,尤其是美国“半导体合成生物学联盟”推动的基础研究项目、美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)与美国情报高级研究计划局(Intelligence Advanced Research Projects Activity, IARPA)推动的面向应用的集中攻关项目、欧盟的地平线2020计划以及我国的重点研发计划等。通过比较可...     

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存储技术的研究概述

DNA存储技术是一种新型的信息存储技术,是指用人工合成的脱氧核苷酸链对文档、图片和音频等信息进行存储并能完整读取的技术。通过将数据编码成二进制的数字串,然后用A、T、C、G 4种碱基编码二进制相对应的数字,使得数据能以脱氧核苷酸链的形式完成目标DNA分子的构建,再通过人工合成相应的DNA分子,数据即可被储存在DNA分子中。DNA存储具有存储密度大、存储时间长等优点,可以很好地满足大数据存储的需求。主要介绍DNA存储技术的原理、研究进展及尚存在的问题。     

肽核酸及其应用

我们大家都熟知“合成寡核苷酸”是指人工制造的一小段DNA,它严格复制了天然DNA,每段寡核苷酸由5′-OH起始,以3′-OH终止。这种“合成寡核苷酸”已作为探针、引物、连接子和基因片段等广泛用于分子生物学研究。而谈及肽核酸(Peptide Nucleic Acids,PNA)就不如“合成寡核苷酸”那么熟悉了,PNA是由     

寡核苷酸引导的定向诱变

由寡核苷酸引导的体外诱变技术又称定向诱变技术,它包括下列步骤;克隆待诱变的DNA至phagemid;制备单链DNA模板;设计并合成特殊的诱变寡核苷酸(在寡核苷酸中,除其中少数几个待诱变的碱基外,其余均与单链DNA模板上的待定区域互补);合成双链DNA。通过上述步骤,我们使Stx—B基因的N末端产生了新的BamH1位点,在C末端产生了新的Bgl I识别序列,从而为Stx—B基因融合至LamB基因创造了条件。该法是遗传工程中不可缺少的重要手段之一。     

DNA芯片制作原理及其杂交信号检测方法

文章讨论了DNA芯片的制作原理和杂交信号的检测方法。依其结构,DNA芯片可分为两种形式,DNA阵列和寡核苷酸微芯片。DNA芯片的制作方法主要有光导原位合成法和自动化点样法。DNA芯片与标记的探针或DNA样品杂交,并通过探测杂交信号谱型来实现DNA序列或基因表达的分析。适应于DNA芯片的发展,同时出现了许多新型的杂交信号检测方法。主要有激光荧光扫描显微镜、激光扫描共焦显微镜、结合使用CCD相机的荧光显微镜、光纤生物传感器、化学发生法、光激发磷光物质存储屏法、光散射法等。     

基于Web的基因组序列数据库管理系统的设计与实现

设计一种基于网络的可用来存储和注释海量DNA数据的数据库模型。整个过程分为三部分：首先是构建数据库框架,然后对原始基因组序列数据进行批量注释并输出有效格式导入数据库,最后通过一个友好的用户交互界面,实现对基因组数据的在线读取,查询,注释等操作。设计的数据库用于解决大量产生并有待分析的基因组序列的有效存储和管理问题。     

从碱基到人造生命——基因组的从头合成

人工方法合成基因可通过DNA化学合成,这也是基因获取的手段之一,是密码子优化、蛋白质工程、代谢工程及基因组工程等方面不可缺少的技术。本文从寡核苷酸的合成开始,对短片段DNA的合成、基因长度的DNA合成、基因组长度的DNA合成、长片段及基因组水平的DNA组装、基因组DNA的移植等方面的技术和问题进行了阐述。     

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。     

寡核苷酸药物及寡核苷酸制备技术研究进展

寡核苷酸是生物医学和生命科学研究中调节基因表达的基本工具,并被开发为基因靶向治疗药物,用于治疗病毒、肿瘤和遗传病。寡核苷酸药物主要包括反义寡核苷酸、小干扰RNA、核酶、脱氧核酶、反基因、Cp G寡核苷酸、转录因子诱饵和核酸适配体等。天然的寡核苷酸在体内很容易被降解,特异性低,且有毒副作用。因此,药物寡核苷酸通常带有特定的修饰基团,如硫代磷酸二酯键、氟代、甲基以及锁核酸等,以增强寡核苷酸在体内的稳定性,提高特异性,并降低其毒副作用。目前,寡核苷酸主要采用化学方法合成,但化学合成的寡核苷酸初产物纯度低,而纯化十分困难。大规模核酸合成仪和纯化设备十分昂贵,因而大量合成和纯化寡核苷酸的成本高昂,大大限制了寡核苷酸药物的研究和应用。尽管已经涌现了多种多样的核酸扩增和检测方法,但用于扩增寡核苷酸的方法极少,且均不适合大量制备寡核苷酸。一种新的基于热循环的寡核苷酸扩增方法,称为"聚合酶-内切酶扩增反应"(Polymerase-endonuclease amplification reaction,PEAR),能够使寡核苷酸等小分子核酸在双酶催化下,利用独特的"滑动-切割机制"进行自我复制,并实现指数扩增。PEAR反应简单、高效、稳定。该方法已成功制备硫代和氟代修饰的寡核苷酸,与化学合成法相比,该技术不依赖于大规模DNA合成仪,降低了生产成本,适合大量生产高纯度的寡核苷酸,将有助于推动寡核苷酸药物的研究和应用。     

用直接测定基因组DNA序列的方法检测β-地中海贫血基因突变

本文报道一种结合聚合酶链反应(PCR)技术直接测定基因组DNA中单考贝基因片段序列的方法,以及利用这种方法测定两例β-地贫纯合子的β珠蛋白基因序到结果。测定出基因点突变,一例为编码子17(A→T)突变纯合子,另一例为编码子69(G→A)突变纯合子。针对上述两个点突变合成寡核苷酸片段,末端标记~(82)P后为探针进行斑点杂交的结果与测序结果一致。     

Applied Biosystems完善反义产品生产设施

Applied Biosystems,Inc.(ABI)(Foster City,CA)已建成大规模(克数量级)生产高品质合成DNA寡核苷酸产品设施.该公司致力于反义技术和DNA探针市场.根据一项合同,它计划生产一批DNA产品,用以满足反义技术公司进行临床实验的需要.ABI已与ISIS Pharmaceuticals(Carlsbad,CA)达成协议,向ISIS提供药用DNA.天然存在于细胞中的某些酶和核酸酶破坏反义寡核苷酸,因此研究者改变了反义RNA和DNA的糖-磷酸     

含有分裂型内含肽DnaE基因的表达盒设计、合成及高效表达载体的构建

目的:建立一种简便、快捷的基因从头设计、优化与合成策略,进行含有分裂型内含肽DnaE基因的表达盒全合成并构建高效表达载体。方法:以免费软件GeneDesign 3.0为主要平台,同时结合Tandem Repeats Finder、UNAFold等不同生物信息学软件,对含有DnaE基因、合适酶切位点的表达盒进行设计与分段合成;合成寡核苷酸片段通过重叠PCR进行组装与克隆。结果:利用建立的设计流程,合成了大小为44～64 nt的14段寡核苷酸片段,通过重叠PCR,实现了14段寡核苷酸片段的一次性组装,经过克隆、酶切鉴定、序列分析得到了序列完全正确的表达载体。结论:建立了一套有效的、基于免费软件的基因从头设计与合成的策略,构建了可以用于环肽小分子文库表达与筛选的表达载体。     

甲胎蛋白特异性小干扰RNA表达载体的构建及鉴定

目的：构建特异性抑制甲胎蛋白（AFP）的小干扰RNA（siRNA）表达载体,为进一步研究AFP基因功能及AFP相关肿瘤的基因治疗奠定基础。方法：设计并合成AFP特异性的短链寡核苷酸,退火形成双链DNA片段,通过与RNAi-Ready pSIREN-DNR-DsRed-Express Donor Vector连接、转化大肠杆菌、扩增、纯化得到所需质粒,用琼脂糖凝胶电泳及基因测序鉴定其分子量及插入片段的序列。结果：琼脂糖凝胶电泳证实纯化后的质粒大小约为6740bp,测序证实插入序列与合成的寡核苷酸序列完全符合。结论：构建了AFP特异性的siRNA表达质粒pSIREN-DNR—DsRed-Express Donor Vector-AFP。     

核酸条形码技术：扩展蛋白质-蛋白质相互作用检测通量的新方法

蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction, PPI)几乎参与了机体内所有重要的生物学过程,在细胞的基本生命过程中扮演了至关重要的角色,开发高通量的PPI检测新方法具有重要的生物学意义。目前,下一代测序技术(next-generation sequencing, NGS)发展快速,能在几天内测定超过10亿个模板的DNA序列。由于并行DNA测序技术所特有的敏感性、特异性、高通量和多路复用优势,其已被用作广谱分子计数器,应用于基因组测序和转录物组测序等领域。核酸条形码技术通过将寡核苷酸标签与目标蛋白质连接起来,从而标记编码蛋白质。之后,利用高通量的测序方法检测相互作用的蛋白质,实现了PPI的高通量检测。这一技术推动了PPI检测方法的飞速发展,提升了单次实验检测的通量,为构建PPI网络提供了强有力的技术支持。本文详细阐述了核酸条形码在PPI检测方法中的设计、生成和读取;通过分析核酸条形码技术在PPI研究中的应用范例,探讨了各自的优势和不足,并评估了数据的可靠性,讨论了基于核酸条形码技术的PPI检测方法未来的发展趋势。     

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,...     

人干细胞因子cDNA的设计、合成与克隆

选择大肠杆菌的偏爱密码子,分成18个长约60个碱基且相互配对的寡核苷酸片段,合成了可溶形式的人干细胞因子（hSCF)的cDNA,合成片段经纯化、5′-端磷酸化后,通过PCR进行合成hSCF的cDNA一次性组装与扩增,得到了含有可溶形式的hSCF的全部编码区及EcoRⅠ、SalⅠ位点在内的全长共515个碱基对的DNA片段,回收该DNA片段,酶切消化,定向克隆进质粒pUC19。经酶切鉴定以及序列测定,得到了全序列正确的克隆株,为下一步的工作奠定了基础。     

激素和活性多肽

<正> 854997 编码人胰岛素原的 DNA 合成[英]/Ovchinnikov,Y.A.…//Gene.-1984,31(1～3).-65～78[译自 DBA,1985,4(4),85-01704]使用化学-酶方法合成271bp 和286bp 的双链 DNA,每个 DNA 含有为胰岛素原编码     

10-23型DNA酶作为鉴定mRNA靶点有效性的新工具

10-23DNA酶是能主动切割mRNA的一类反义寡核苷酸.利用10-23DNA酶的直接切割作用验证mRNA结构靶点的有效性.对筛选的绿色荧光蛋白(GFP)基因mRNA的4个靶点平行设计了4条反义寡核苷酸和4条10-23DNA酶,对照组反义寡核苷酸将最佳靶点——靶点2的反义寡核苷酸突变2个碱基,对照组10-23DNA酶将靶点2的10-23DNA酶结合臂中央突变2个碱基.体外4条10-23DNA酶切割mRNA的结果和相应的4条反义寡核苷酸依赖的RNaseH降解结果完全相似,细胞内4条10-23DNA酶对绿色荧光蛋白的表达抑制作用与相应的4条反义寡核苷酸相似,表明10-23DNA酶显示的最佳作用靶点同样是最佳作用效果的反义寡核苷酸结合靶.10-23DNA酶可以作为评价mRNA结构靶点有效性的新工具.