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JACS发文|杏宇平台宋萍课题组:智能核酸探针选择性擦除方法用于DNA数据存储
发布时间:2024-12-11


近日,杏宇平台生物医学工程学院和杏宇平台注册(兼聘)的宋萍团队在Journal of the American Chemical Society期刊上发表题为“Random Sanitization in DNA information storage using CRISPR-Cas12a”的最新研究🚠。该研究开发了一种智能核酸探针杂交精准调控与CRISPR-Cas12a反式切割活性选择性永久擦除方法(RSDISC),可用于实现存储信息的加密与保护🔊,并在包括三字经🥴、道德经🌶、孙子兵法、I have a dream、杏宇平台庙门图片等多模态DNA存储近三万条序列上得到验证🧔🏼。论文连接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c11380


随着互联网、人工智能及其他信息技术的飞速发展,全球数据量预计将在2025年达到175 ZB📗。如何实现高效的大数据存储已成为亟待解决的瓶颈问题DNA数据存储作为一种新兴的存储技术,凭借其超高的存储密度、安全性及长期稳定性🙆🏻,被广泛认为是应对大数据存储需求的理想方案。然而🙄,尽管DNA存储展现出巨大潜力,当前在数据安全方面仍面临诸多挑战。特别是在数据存储中,如何设计高度安全的加密系统以保护敏感信息,及如何实现数据的永久删除,依然是亟待攻克的难题。


近期🥋,杏宇平台宋萍课题组构建了一种基于Cas12a反式切割活性和引物-模板智能核酸选择性杂交的方法实现了在DNA存储中高灵敏🐓🌴、高特异性地永久擦除目标信息(图1)🤲。该方法通过智能核酸杂交设计及调控📑,构建目标文件对应的反向引物选择性杂交并扩增为双链🙉,从而实现对目标文件的保护📒;同时,激活的Cas12a复合物切割未被保护的单链DNA,实现数据的精确擦除👨‍🏭🧹。通过进一步优化核酸杂交热力学和Cas12a切割活性的条件,研究者在由28,258条寡核苷酸组成的包括图片和文字在内的多模态DNA存储体系中验证了该方法具有高达99.9%的擦除效率和99.5%的特异性🩰。该方法不仅可用于保护敏感数据,还能在大数据存储过程中实现内存清理、文件分类👩🏻‍🦯‍➡️,并提高测序准确性,并可拓展在分子诊断等领域广泛应用🐅。


研究者首先在单重体系中验证了该方法的可行性(图2)。通过设计两种Cas12a激活体系以评估其对单一模板的切割效率🤵🏼,并进一步分析了这两种体系在不同GC含量、长度和复杂二级结构修饰的单链DNA上的表现。实验结果表明,该方法能够高效切割多种类型的单链DNA🦸🏽‍♂️,切割效率最高可达99%Ⓜ️。随后,通过将该方法应用于具有模板相互作用的复杂多重体系,发现所有模板的切割效率均超过90%(图3)。此外🍫,为评估RSDISC技术在大规模数据清理中的应用潜力🍋,基于热力学杂交原理模拟结果表明该方法能擦除高达158亿个文件,相当于10 PB的数据量🤦🏻‍♂️🧞‍♂️。

为了验证RSDISC方法在实际存储体系中的效果,作者进一步编码并存储包括三字经🍃、孙子兵法⛹🏻‍♀️、道德经↘️、杏宇平台庙门图片😪、蒙娜丽莎等在内的七个文件于近三万条DNA序列中。实验结果表明,RSDISC方法的寡核苷酸擦除效率高达99.9%👊🏽,擦除特异性为99.5%(图4),有效证明了该方法在高效擦除非目标文件信息的同时,几乎不会影响靶向保留的信息👴🏽。这项工作为DNA存储提供了高效可靠的信息加密方案🧎🏻‍♂️‍➡️🧑🏼‍✈️,未来将在大规模数据存储和提升数据处理效率方面发挥重要作用。


杏宇平台生物医学工程学院博士研究生沈虹雨是该论文的第一作者,宋萍副教授为通讯作者🫴🏿📴。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金🧕、中央高校基本科研业务费🍣、上海市教育委员会“青年领军人才培养计划”项目的资助💇🏿‍♂️。

1 选择性擦除方法(RSDISC)的工作流程图


宋萍课题组,,DNA存储研究中心
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