새로운 PCR 기술 덕분에 손이 닿는 DNA 보관 스토리지 - ScienceDaily

DNA에 데이터를 저장하는 것은 공상 과학 소설처럼 들리지만 가까운 미래에 있습니다. Tom de Greef 교수는 최초의 DNA 데이터 센터가 5년에서 10년 이내에 가동될 것으로 예상합니다. 데이터는 하드 드라이브에 0과 1로 저장되지 않고 DNA를 구성하는 기본 쌍인 AT와 CG에 저장됩니다. 그러한 데이터 센터는 오늘날의 것보다 몇 배나 작은 실험실의 형태를 취할 것입니다. De Greef는 이미 모든 것을 상상할 수 있습니다. 건물의 한 부분에서는 DNA 합성을 통해 새 파일이 인코딩됩니다. 다른 부분에는 캡슐의 큰 필드가 포함되며 각 캡슐은 파일로 포장됩니다. 로봇 팔이 캡슐을 제거하고 내용물을 읽고 다시 제자리에 놓습니다.

우리는 합성 DNA에 대해 이야기하고 있습니다. 실험실에서는 합성적으로 생성된 DNA 가닥을 형성하기 위해 염기가 특정 순서로 서로 붙어 있습니다. 그러면 현재 데이터 센터에 저장된 파일과 사진을 DNA에 저장할 수 있습니다. 현재 이 기술은 아카이브 스토리지에만 적합합니다. 저장된 데이터를 읽는 데 비용이 많이 들기 때문에 DNA 파일을 가능한 한 적게 참조하기를 원하기 때문입니다.

에너지를 많이 소모하는 대규모 데이터 센터가 쓸모 없게 됨

DNA의 데이터 저장은 많은 이점을 제공합니다. 예를 들어 DNA 파일은 훨씬 더 컴팩트하게 저장할 수 있으며 데이터의 수명도 몇 배 더 깁니다. 그러나 아마도 가장 중요한 것은 이 신기술이 대규모의 에너지 소모적인 데이터 센터를 구식으로 만든다는 것입니다. 그리고 이것이 절실히 필요하다고 De Greef는 경고합니다. “왜냐하면 3년 안에 우리는 전 세계적으로 너무 많은 데이터를 생성하여 절반도 저장할 수 없을 것이기 때문입니다.”

박사 과정 학생 Bas Bögels, Microsoft 및 대학 파트너 그룹과 함께 De Greef는 확장 가능한 합성 DNA로 데이터 스토리지의 혁신을 만드는 새로운 기술을 개발했습니다. 그 결과는 오늘 저널에 게재되었습니다. 자연 나노기술. De Greef는 TU Eindhoven의 생물의학공학과 및 ICMS(Institute for Complex Molecular Systems)에서 근무하고 있으며 Radboud University에서 객원 교수로 재직하고 있습니다.

확장 가능

데이터 저장을 위해 DNA 가닥을 사용하는 아이디어는 1980년대에 등장했지만 당시에는 너무 어렵고 비용이 많이 들었습니다. 30년 후 DNA 합성이 시작되면서 기술적으로 가능해졌습니다. 하버드 의과대학의 유전학자인 George Church는 2011년에 이 아이디어에 대해 자세히 설명했습니다. 그 이후로 데이터 합성 및 읽기 비용이 기하급수적으로 저렴해지면서 마침내 기술이 시장에 출시되었습니다.

최근 몇 년 동안 De Greef와 그의 그룹은 주로 저장된 데이터를 읽는 데 집중했습니다. 당분간 이것은 이 새로운 기술이 직면한 가장 큰 문제입니다. 이를 위해 현재 사용되는 ‘랜덤 액세스’라는 PCR 방법은 오류 발생 가능성이 높습니다. 따라서 한 번에 하나의 파일만 읽을 수 있으며 파일을 읽을 때마다 데이터 품질이 너무 많이 저하됩니다. 정확히 확장 가능하지 않습니다.

작동 방식은 다음과 같습니다. PCR(중합 효소 연쇄 반응)은 원하는 DNA 코드가 있는 프라이머를 추가하여 필요한 DNA 조각의 수백만 복사본을 생성합니다. 예를 들어, 실험실의 코로나 테스트는 다음을 기반으로 합니다. 코에서 나온 극소량의 코로나 바이러스 물질도 여러 번 복사하면 감지할 수 있습니다. 그러나 여러 파일을 동시에 읽으려면 동시에 작업을 수행하는 여러 개의 프라이머 쌍이 필요합니다. 이로 인해 복사 프로세스에서 많은 오류가 발생합니다.

모든 캡슐에는 하나의 파일이 포함되어 있습니다.

이것은 캡슐이 작동하는 곳입니다. De Greef의 그룹은 단백질과 폴리머의 마이크로캡슐을 개발한 다음 캡슐당 하나의 파일을 고정했습니다. De Greef: “이 캡슐은 우리가 유리하게 사용할 수 있는 열 특성을 가지고 있습니다.” 섭씨 50도 이상에서는 캡슐이 스스로 밀봉되어 각 캡슐에서 PCR 프로세스가 별도로 수행될 수 있습니다. 그러면 오류의 여지가 많지 않습니다. De Greef는 이것을 ‘thermo-confined PCR’이라고 부릅니다. 실험실에서는 지금까지 심각한 오류 없이 25개의 파일을 동시에 읽을 수 있었습니다.

그런 다음 온도를 다시 낮추면 복사본이 캡슐에서 분리되고 고정된 원본이 남아 원본 파일의 품질이 저하되지 않습니다. De Greef: “기존 방법의 35%와 비교하여 현재 3회 판독 후 0.3%의 손실이 있습니다.”

형광으로 검색 가능

그게 다가 아닙니다. De Greef는 또한 데이터 라이브러리를 더욱 쉽게 검색할 수 있도록 만들었습니다. 각 파일에는 형광 라벨이 지정되고 각 캡슐에는 고유한 색상이 지정됩니다. 그런 다음 장치는 색상을 인식하고 서로 구분할 수 있습니다. 이것은 우리를 이 이야기의 시작 부분에 있는 상상의 로봇 팔로 되돌려 주며, 미래에 캡슐 풀에서 원하는 파일을 깔끔하게 선택할 것입니다.

이것은 데이터를 읽는 문제를 해결합니다. De Greef: “이제 DNA 합성 비용이 더 떨어질 때까지 기다리는 것이 문제입니다. 그러면 이 기술을 적용할 준비가 될 것입니다.” 그 결과, 그는 네덜란드가 세계 최초로 최초의 DNA 데이터 센터를 곧 열 수 있기를 희망합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/05/230504111924.htm