АНАЛІЗ МОЖЛИВОСТЕЙ ДОВГОСТРОКОВОГО ЗБЕРІГАННЯ ДАНИХ НА ДНК

А. А. Крючин; Є. В. Беляк; Є. А. Крючина; О. В. Шиховець

doi:10.11603/mie.1996-1960.2020.3.12390

Автор(и)

А. А. Крючин Інститут проблем реєстрації інформації НАН України
Є. В. Беляк Інститут проблем реєстрації інформації НАН України
Є. А. Крючина Київска міська клінічна лікарня № 10
О. В. Шиховець Інститут проблем реєстрації інформації НАН України

DOI:

https://doi.org/10.11603/mie.1996-1960.2020.3.12390

Ключові слова:

ДНК пам’ять, секвенування, полімеразна ланцюгова реакція, концепція «ДНК речей»

Анотація

Наведено результати критичного аналізу перспектив застосування ДНК пам’яті для довгострокового зберігання ін- формації. Показано, що ДНК пам’ять забезпечує як запис інформації з високою щільністю запису, так і її довгостро- кове зберігання. Наведені дані свідчать, що технології ДНК пам’яті зможуть сприяти суттєвим змінам в архівному зберіганні даних. Проведено аналіз галузей застосування ДНК пам’яті. Виконано дослідження кодів, що використо- вуються для представлення даних у ДНК пам’яті. Детально проаналізовано декілька підходів щодо проєктування кодонів ДНК і різноманітних підходів до зберігання даних, визначено плюси та мінуси кожного з підходів. Обговорю- ються методи стеганографії з використанням молекул ДНК для безпечного зберігання даних.

Посилання

Petrov V. V., Le Zichun, Kryuchyn A. A. et al. (2018). Long-term storage of digital information. doi: 10.15407/ Аkademperiodyka.360.148.

Lin K. N., Volkel K., Tuck J. M., Keung А. J. (2020). Dynamic and scalable DNA-based information storage. Nature Communications. Vol. 11.

Petrov V. V., Kryuchyn A. A., Shanoilo S. M. et al. (2003). Ways to solve the problem of long-term storage of information recorded in digital form. Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 4, 52-58. [In Ukranian].

Kryuchyn A. A., Beliak Ie. V., Kryuchyna E. A., Potebnya

A. V. (2015). The state and problems of creating DNA memory. Medical Informatics and Engineering, 3 (31), 9-16. [In Ukranian].

Dong Y., Sun F., Ping Z., Ouyang Q., Qian L. (2020). DNA storage: research landscape and future prospects. National Science Review, Vol. 7, Issue 6, 1092-1107.

Potomac Institute for Policy Studies. The Future of DNA Data Storage. https://potomacinstitute.org/images/ studies/Future_of_DNA_Data_Storage.pdf .

The Rise of DNA Data Storage Could DNA as an archival medium be the solution to our information overload?. https://www.wired.com/story/the-rise-of-dna-data-storage/

Akram F., Haq I., Ali H., Laghari A. T. (2018). Trends to store digital data in DNA: an overview. Molecular Biology Reports, Vol. 45, 1479-1490.

De Silva P.Y., Ganegoda G. U. (2016). NewTrends of Digital Data Storage in DNA. BioMed research international, Vol. 2016. https://doi.org/10.1155/2016/8072463.

Organick L., Chen Y. J., Dumas Ang S., Lopez R., Liu X., Strauss K., Ceze L. (2020). Probing the physical limits of reliable DNA data retrieval. Nature communications, 11(1). https://doi.org/10.1038/s41467-020-14319-8.

Church G. M., Gao Y., Kosuri S. (2012). Next- Generation Digital Information Storage in DNA. Science, 337:6102, 1628.

Langston J. (2019). With a «hello,» Microsoft and UW demonstrate first fully automated DNA data storage. https://news.microsoft.com/innovation-stories/hello- data-dna-storage/.

Shankland S. (2019). Startup packs all 16GB of Wikipedia onto DNA strands to demonstrate new storage tech - Biological molecules will last a lot longer than the latest computer storage technology, Catalog believes. CNET.

Organick L., Ang S., Chen Y. J. et al. (2018). Random access in large-scale DNA data storage. Nat Biotechnol., 36, 242-248.

Koch J., Gantenbein S., Masania K. et al. (2020). DNA- of-things storage architecture to create materials with embedded memory. Nat Biotechnol, 38, 39-43. https:// doi.org/10.1038/s41587-019-0356-z.

«DNA of Things» – Storing Extensive Data in Everyday Objects. https://scitechdaily.com/dna-of-things-storing- extensive-data-in-everyday-objects/.

Jung L., Hogan M. E., Sun Y. et al. (2019). Rapid authentication of pharmaceuticals via DNA tagging and field detection. PLoS ONE, 14(6), e0218314.

Chen Y., Takahashi C. N., Organick L. et al. (2020). Quantifying molecular bias in DNA data storage. Nature Communications, 11.

Banal J. L., Shepherd T. R., Berleant J. et al. (2020). Random access DNA memory in a scalable. doi: 10.1101/2020.02.05.936369 PPR: PPR112067.

Blawat M., Gaedke K. ,Hütter I. (2016). Forward Error Correction for DNA Data Storage Procedia. Computer Science, 80, 1011-1022.

Goldman N., Bertone P., Chen S. et al. (2013). Towards practical, high-capacity, low-maintenance information storage in synthesized DNA. Nature, 494, 77-80. doi:10.1038/nature11875.

Erlich Y., Zielinski D. (2017). DNA Fountain enables a robust and efficient storage architecture. Science, 355 (6328), 950-954. doi: 10.1126/science.aaj2038. PMID: 28254941.

Shipman S., Nivala J., Macklis J. et al. (2017). CRISPR

– Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria. Nature, 547, 345-349.

Shabbir M. Abu Bakr, Wu Q., Mahmood S. et al. (2019). CRISPR – cas system: biological function in microbes and its use to treat antimicrobial resistant pathogens. Annals of Clinical Microbiology and Antimicrobials, 18.

Ceze L., Nivala J., Strauss K. (2019). Molecular digital data storageusing DNA. Nature Reviews Genetics. https://www.gwern.net/docs/genetics/editing/2019- ceze.pdf.

Fister K., Fister Jr. I., Murovec J. (2017). The Potential of Plants and Seeds in DNA – Based Information Storage. In book: Understanding Information, 69-81. doi: 10.1007/978-3-319-59090-5_4.

Arita M., Hagiya M., Takinoue M., Tanaka F. (2012). DNA Memory. In: Rozenberg G., Bäck T., Kok J. N. (eds). Handbook of Natural Computing. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-540- 92910-9_38.

Erlich Y., Zielinski D. Capacity-approaching DNA storage. (2016). doi: https://doi.org/10.1101/074237.

Press W. H., Hawkins J. A. et al. (2020). HEDGES error-correcting code for DNA storage corrects in dels and allows sequence constraints. PNAS, 117 (31), 18489-18496.

Grass R. N., Heckel R., Paunescu M. D. et al. (2015). Robust Chemical Preservation of Digital Information on DNA in Silica with Error-Correcting Codes. Angew Chem Int Ed., 54, 2552-5.

Ivanova N.V., Kuzmina M. L. (2013). Protocols for dry DNA storage and shipment at room temperature. Mol Ecol Resour., 13 (5), 890-898. doi: 10.1111/1755-0998.12134.

Pomogaibo V. M., Orlova L. D., Vlasenko N. O. (2016). DNA of the environment: ecological and genetic aspects. Ecology and noospherology, 27, 1-2, 16-24. [In Ukranian].

Allentoft M. E., Collins M., Harker D. et al. (2012). The half-life of DNA in bone: measuring decay kinetics in 158 dated fossils. Proc. R. Soc. B., 279, 4724-4733.

Howlett S. E., Castillo H. S., Gioeni L. J. (2014). Evaluation of DNA stable™ for DNA storage at ambient temperature. Forensic Sci Int Genet, 8, 1, 170-178.

Hofreiter M., Mead J. I., Martin P., Poinar H.N. (2003). Molecular caving. Curr. Biol., 13 (18), 693-695. doi: 10.1016/j.cub.2003.08.039.

Farzadfard F., Lu T. K. (2018). Emerging applications for DNA writers and molecular recorders. Science, 361 (6405), 870-875. doi: 10.1126/science.aat9249.

Puddu M., Stark W. J., Grass R. N. (2015). Silica Microcapsules for Long-Term, Robust, and Reliable Room Temperature RNA Preservation. Adv Healthc Mater., 4 (9), 1332-1338. doi: 10.1002/adhm.201500132.