Neue Fortschritte in der digitalen DNA-Speichertechnologie →

Angesichts des explosionsartigen Wachstums der digitalen Datenproduktion steht die Menschheit vor enormen Herausforderungen bei der Datenspeicherung und -verwaltung. Herkömmliche digitale Speichermedien stoßen allmählich an ihre Dichtegrenzen und eine effiziente und zuverlässige Datenspeichertechnologie steht unmittelbar bevor. In diesem Zusammenhang hat DNA als hochdichtes, langzeitstabiles Speichermedium große Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich gezogen.

Allerdings bringt die Verwendung von DNA zur digitalen Speicherung auch eine Reihe von Herausforderungen mit sich. Eine der wichtigsten davon besteht darin, wie sich verschiedene Fehler, die durch die besonderen Eigenschaften von DNA-Sequenzen verursacht werden, wirksam korrigieren lassen. Um dieses Problem zu lösen, hat das Forschungs- und Entwicklungsteam für Agrargenomiktechnologie und Anwendungsinnovation des Shenzhen Agricultural Genomics Institute der Chinesischen Akademie der Agrarwissenschaften ein neues Fehlerkorrektursystem namens Derrick vorgeschlagen, das einen Durchbruch bei der traditionellen Hard-Decision-Strategie durch eine Soft-Decision-Strategie erzielte und die Richtung für die zukünftige Entwicklung der digitalen DNA-Speicherung aufzeigte. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden im National Science Review veröffentlicht.

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Die digitale DNA-Speicherung hat aufgrund ihrer erstaunlichen Informationsdichte und der Möglichkeit zur langfristigen Informationsaufbewahrung viel Aufmerksamkeit erregt. Die Basensequenz im DNA-Molekül kann eine große Menge an Informationen kodieren und ihre Informationsdichte ist viel höher als die herkömmlicher Festplatten oder Festkörperspeicher. Darüber hinaus können DNA-Moleküle unter geeigneten Bedingungen lange Zeit stabil gelagert werden, sogar über Hunderte von Jahren. Allerdings ist die digitale Speicherung von DNA auch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden, darunter hohe Synthese- und Sequenzierungskosten, Einschränkungen bei der Fehlerkorrektur und technische Herausforderungen beim schnellen Lesen und Schreiben von Daten. Unter diesen Herausforderungen ist die Frage, wie sich verschiedene Fehler in DNA-Sequenzen effizient korrigieren lassen, ein besonders wichtiges Thema, das in direktem Zusammenhang mit der Integrität und Zuverlässigkeit der Daten steht.

Die Einführung von Derrick schließt die Lücke in der Fehlerkorrektur bestehender digitaler DNA-Speichersysteme und hat revolutionäre Veränderungen in der Entwicklung dieses Bereichs mit sich gebracht. Herkömmliche Strategien für schwierige Entscheidungen sind angesichts von Einfügungs-, Deletions- und Substitutionsfehlern in DNA-Sequenzen oft machtlos. Die Soft-Decision-Strategie von Derrick verbessert jedoch erfolgreich die Fehlerkorrekturfähigkeit durch präzise Fehlervorhersage und geeignete Korrekturstrategien und erhöht so die Zuverlässigkeit und Stabilität des digitalen DNA-Speichersystems erheblich.

Das Arbeitsprinzip von Derrick beruht auf seiner einzigartigen Soft-Decision-Strategie. Durch die Erstellung präziser Fehlervorhersagemodelle ist Derrick in der Lage, verschiedene Arten von Fehlern in DNA-Sequenzen, darunter Einfügungen, Löschungen und Substitutionen, genau zu identifizieren und zu korrigieren. Die Soft-Decision-Strategie ermöglicht Derrick, genauere Urteile zu fällen und Fehlersituationen zu bewältigen, die mit herkömmlichen Hard-Decision-Strategien nicht zu bewältigen sind. Dadurch werden die Fehlerkorrekturfähigkeit und die Stabilität des gesamten Systems effektiv verbessert. Darüber hinaus verwendet Derrick einen CRC64-Codeprüfmechanismus, um die Richtigkeit der gesamten Datenmatrix zu überprüfen, und korrigiert mögliche Fehler zusätzlich durch einen Backtracking-Algorithmus, um die Integrität und Zuverlässigkeit der Daten sicherzustellen.

Derrick hat bei der experimentellen Verifizierung bemerkenswerte Ergebnisse erzielt. Durch Echtzeit- und virtuelle Experimente mit verschiedenen Arten von Sequenzierungstechnologien konnte Derrick seine überlegene Leistung hinsichtlich Fehlerkorrekturfähigkeit und Dekodierungsfehlerrate erfolgreich unter Beweis stellen. Diese bahnbrechende Innovation weist den Weg für die zukünftige Entwicklung digitaler Speichersysteme von DNA und bietet zuverlässige technische Unterstützung für die sichere Speicherung und effiziente Verwaltung großer Datenmengen. Da sich die Technologie ständig weiterentwickelt und verbessert, wird erwartet, dass Derrick zu einer der Kerntechnologien zukünftiger digitaler DNA-Speichersysteme wird und neue Lösungen für den Menschen bietet, um sicherere und effizientere Datenspeicher- und -verwaltungssysteme zu etablieren.

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Als neue Speichermethode verfügt die digitale DNA-Speichertechnologie über ein enormes Potenzial und einen breiten Entwicklungsspielraum. Als innovatives Fehlerkorrektursystem bietet Derrick eine neue Idee und Methode zur Lösung der Kernprobleme bei der digitalen DNA-Speicherung. Ich bin davon überzeugt, dass die DNA-basierte digitale Speichertechnologie durch die unermüdlichen Bemühungen und die kontinuierliche Erforschung immer mehr Wissenschaftler nach und nach ausgereifter wird und in der realen Produktion und im täglichen Leben breite Anwendung finden wird.

Planung und Produktion

Autor: Sam Populärwissenschaftlicher Autor

Gutachter: Tao Ning, Assoziierter Forscher, Institut für Biophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Herausgeber: Zhong Yanping und Qi Yuan (Praktikant)