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基因存儲方案

發布時間: 2023-01-23 16:52:11

㈠ 基因保存放哪裡保存好呢

若是當天使用DNA,可放在4°C保存備用;若是當天不用,近期需要使用,一般保存至-20°C;若是長期不用,也可以放至-70°C保存。

㈡ 人的DNA有何神奇之處人的基因是如何保存的

對大多數人來說,DNA數據存儲是一項非常神奇的技術。自然界數億年來,各種生物利用DNA攜帶的遺傳信息來保證物種的繁殖。在20世紀60年代初期,科學家們提出了利用DNA存儲信息的想法。目前生命科學大數據整體話題已經火了很久,編著也一直關注這方面的動態。今年年初宣布將16G的維基網路儲存在DNA分子中,不久前大使分子也表示可以儲存數據,甚至有人建議使用光譜。科學技術需要超前的想像力,但科學也要正視任何現實和它帶來的所有影響和結果。」

我是無知的。nature和science報道了類似的研究,但以前存儲的數據都很小。也就是說,沒有超過1Mb。這次研究存儲了超過200mb的數據。做這個真的很貴,很貴,很貴。這個研究是微軟做的。據推測,將投資數千萬、數億或美元。所以我們只是想了一會兒「快點,提取我的血液,分離特異性的T淋巴細胞,找出起始序列是多少DNA序列,快點破譯。所有敵國的信息都在裡面。」孩子們不需要讀書,直接將數學、語言、英語、所有代碼轉換成DNA,自然無敵。

㈢ 世界上有哪幾種基因保存技術

每個人都有獨特的性狀以及表現,而這些都與我們的基因有關,而基因是控制生物遺傳性狀的主要物質,並且也是有效的DNA片段,每個人的基因都會不相同,而如今組建了基因組計劃,所以每個人的基因都可以進行保存,而採用的保存一般都是低溫冷凍保存,所以可以採用液氮保存技術,電製冷技術以及低溫休眠保存技術,納米分子包裹技術等等。並且這些保存時間也是非常長的,而且對我們未來的生活也是有一定的保障的。
隨著科學技術的不斷發展,如今基因保存已經不再是一個難題,並且保存技術也在不斷的增多,無論是液氮保存技術還是納米分子包裹技術,都是為了我們的生活以及安全著想。

㈣ 遺傳信息怎麼能永久保存

液氮保存技術、電製冷保存、低濕休眠保存技術、納米分子包覆技術、干血片保存法、固相吸附技術
由於環境中我們賴以生存的要素:氧氣、陽光、溫度等等,都會讓DNA分解,此外自然界中的各種微生物也是DNA的「天敵」。因此,想要DNA能夠長久保存並保持穩定,就要隔絕這些要素。
不同的保存技術
1、液氮保存技術
保存條件:-196℃液氮中保存
保存期限:長期保存
液氮保存技術,是將DNA樣本放在-196℃的液氮中進行低溫保存。優點是能夠實現長期保存,能夠滿足未來基因檢測及基因治療運用的需求。
但保存要求條件高,且價格比較昂貴。需要通過專業設備(液氮罐)來保存,並時刻保持冷凍狀態,一旦液氮保存裝置發生問題,DNA樣本就會出現質量問題。
2、電製冷保存
保存條件:-80℃溫度
保存期限:長期保存
電製冷保存,通常保存在-80℃環境中,需要使用專業的保存設備進行保存,如-80℃冷凍冰箱。
科研機構常使用這種保存方式長期保存研究用的生物樣本,但保存期限比液氮保存技術稍短。
3、低濕休眠保存技術
保存條件:冰箱冷藏
保存期限:100年以上
美國Securigene公司的低濕休眠保存技術,可以將純化後的DNA密封在DNA膠囊裝置內,並放置在冰箱內冷藏保存。
價格較低,在389美金左右,保存的DNA也能夠滿足使用需求。但易受冰箱保存條件影響,一旦冰箱斷電,會影響到保存品的質量。
4、納米分子包覆技術
保存條件:室溫保存
保存期限:100年以上
納米分子包覆技術,通過採集口腔脫落的口腔黏膜上皮細胞,從中提取出DNA分子顆粒,並在表面上包裹一層包覆層,形成核-殼結構,使製作好的基因保存品有很好的穩定性,能夠在室內常溫保存。
使用納米分子包覆技術製作的基因保存品,能夠滿足未來疾病精準對比檢測使用的需求。價格相對高昂,20年保存期大約需要13000元人民幣。
5、干血片保存法
保存條件:常溫保存
保存期限:10-20年
干血片保存法就是使用一根刺針,刺破足底採集一管血,然後滴到采樣紙上,再將干血片放在密封袋裡,儲存在檔案櫃裡面。

㈤ 想讓植物體細胞的突變基因保存下來,可採用的方法是

想讓植物體細胞的突變基因保存下來,可採用的方法是 PCR擴增
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㈥ DNA存儲,拯救人類數據危機的良方

開一個腦洞:如果地球正在面臨一場馬上到來的毀滅性星際災害,人類又想盡可能地保存地球的生命和文明,在現有條件下,該怎麼辦?

像大劉一樣讓地球停止自轉然後逃離太陽系,這恐怕來不及了。而如果像諾亞方舟一樣,一股腦把人類、動植物和人類的知識搬運到飛船上,現有的火箭運載能力,恐怕也裝不下這些物質的億萬分之一。

如果想盡可能多、盡可能長久地保存地球的生物,我們只需要把所有物種的DNA序列信息收集打包,在飛船的低溫環境下便可以保存長達數十萬年;而人類文明的信息呢?我們知道這些信息最高效的形式就是數據,而這些數據主要存儲在硬碟和光碟當中的。

想想這些硬碟儲存器的重量和數據密度,我們不得不再一次氣餒。更何況,可能飛船還沒逃出太陽系,這些數據就會因為硬碟或光碟的壽終正寢而丟失。

那麼DNA能不能當做硬碟來存儲數據信息呢?答案是,可以的。

DNA絕對是這個星球上最古老的生命信息存儲工具,同樣也可以作為數據信息的存儲介質,且存儲密度和使用壽命要遠遠超出現有的磁碟式的存儲方案。因此,DNA存儲,正在被人類視為數據存儲的未來,成為拯救人類數據存儲危機的最好的替代方案。

DNA存儲具體是怎麼做到的呢?現在發展到那一階段?商用的話還有哪些阻礙?這需要我們一一解答。

在了解DNA存儲是如何工作的之前,我們簡單了解下磁存儲和光存儲這兩種現有的解決方案的原理。

磁存儲的原理就是在金屬材料上塗上磁性介質,在通電的情況下形成電磁效應,可以進行存儲和表達0101的二進制信息。磁存儲的硬碟的優點是錄入和讀取的速度快,缺點是與體積重量相比,數據密度較低。經過60年發展,大概可以在3.5英寸大小的硬碟驅動上存儲3TB數據。

光存儲的原理是將數字編碼的視頻和音頻儲刻錄在光碟表面的凹槽中,再通過激光將這些凹槽中的數據讀取出來,進行轉存或播放。當前,光存儲也正在經歷存儲的極限。因為想要存下更多的數據,凹槽就必須越小、越緊湊,要求激光的精度也越高。目前,單層藍光光碟能夠保存 25GB 以上的信息,另一種紫外線激光如果研製成功,其光碟容量可以達到500GB的容量。

相對於磁存儲和光存儲而言,DNA存儲有哪些優勢?

首先,就是節約空間。但這些單層平鋪式的存儲方式,比起DNA的雙螺旋立體結構來說,其存儲量就有了多個數量級的差距。DAN本身的物理體積極小且又是立體結構,單位空間的數據密度非常高。舉個簡單的例子,1克DNA不到指尖上一滴露珠大小,卻能夠儲存700TB的數據,相當於1.4萬張50GB容量的藍光光碟,或233個3TB的硬碟(差不多151KG重)。

再則,非常節能。現有存儲方式,比如說一個數據中心,要消耗大量的單晶硅,還要消耗大量的電。而DNA物質只需保存在陰涼、乾燥的地方就可以,基本不需要額外的人工維護。就算需要把DNA冷凍起來,消耗的資源和能源也幾乎可以忽略不計。

此外,最重要的一點就是,保存時間非常久。現在高密度的存儲器都會隨著時間推移而衰減,能存儲時間最長的工具是磁帶,其壽命也就50年,其他的存儲器壽命更短。比較而言,DNA則保質期就以百年計算了,如果將其冷凍起來,能保存幾千甚至上萬年。

看來人類文明的拯救方案有了,但DNA存儲到底是如何做到的呢?

眾所周知,DNA由四種含氮鹼基——A、T、C和G互補配對構成,科學家將腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)分別賦予二進制值(A和C=0 ,G和T=1),隨後通過微流體晶元對基因序列進行合成,從而使該序列的位置與相關數據集相匹配。這樣就把這些鹼基對編碼成1和0的組合,就可以用DNA的序列信息來表達二進制的語言了。

當每次將二進制語言寫進DNA序列當中,就可以把「DNA硬碟」放到低溫環境中進行保存。而需要讀取數據的時候,只用對目標DNA進行測序,將鹼基對還原成二進制編碼,再完成解碼,就可以還原為我們常見的數據了。

原理是非常簡單,但科學家是如何做到的呢?這就要簡單回顧下DNA存儲技術的發展史了。

最先想到這一方法的是一位藝術家Joe Davis,他在1988年與哈佛研究人員合作,把一個取名為Microvenus(小維納斯)的7*5像素矩陣的照片,轉化成35個鹼基的DNA序列,插入到大腸桿菌里,第一次把不屬於自然演化的信息寫進了在DNA當中。

(Microvenus代表女性和地球)

2010年,美國合成生物學家克雷格•文特爾((Craig Venter)帶領研究團隊化學合成了整個支原體基因組DNA,取名為「辛西婭(Synthia)」,並以「自娛自樂」的方式將課題研究者的名字、研究所網址和愛爾蘭詩人詹姆斯的詩句等信息編碼進新合成的DNA中。

2011年,哈佛大學的合成生物學家喬治·丘奇(George Church)和加州大學的瑟里·庫蘇里(Sriram Kosuri)領導的團隊以及約翰•霍普金斯大學的基因組專家高原(Yuan Gao)首次進行了概念證明性實驗。團隊使用短DNA片段編碼了一本丘奇的659KB數據的書。

2013年,歐洲生物信息研究所(EBI)的尼克•高德曼(Nick Goldman)和他的研究團隊也成功地將包括莎士比亞十四行詩和馬丁•路德•金「我有一個夢想」的演講片段、一篇沃森和克里克DNA雙螺旋論文副本等5個文件編寫進了DNA片段里當中。739KB數據成為當時最大的DNA存儲文件。

2016年,微軟和華盛頓大學又利用DNA存儲技術完成了約200MB數據的存儲,成為DNA信息存儲技術的一個飛躍。

2017年7月,《自然》雜志發表了哈佛大學醫學院的賽斯•希普曼(Seth Shipman)和喬治·丘奇合作的一項活體DNA存儲的研究。他們把一部130年前的黑白電影《奔跑中的馬》存在了大腸桿菌的DNA上。雖然大腸桿菌體內有一段「奇怪的DNA」,不僅能夠正常生存,還可以正常遺傳,每次繁衍都是一次數據復制。而且存儲在基因組中的電影,在每一代大腸桿菌中也都完整無缺地保存下來了。

但因為細胞的復制、分裂以及死亡,會造成信息出錯的風險,未來數據安全,大多數情況下存儲信息的DNA都是以DNA乾粉的形式存在,活體細胞存儲的研究轉向合成DNA存儲。

同一年,哥倫比亞大學和紐約基因組中心在《科學》雜志發表了一項稱為「DNA噴泉」演算法高效的DNA存儲策略。這項技術展示了最大化利用DNA的存儲潛力,成功將海量信息壓縮至DNA的四個鹼基,即為每個DNA編碼1.6比特(bits)的數據,比之前多存儲了60%的信息,逼近理論極限(1.8比特)。該方法能夠將215PB數據存儲在一克DNA中,相當於2.2億部電影。

2018年,愛爾蘭沃特福德理工學院(WIT)研究人員開發出一種新型DNA存儲方法,可在1克大腸桿菌DNA中存儲1ZB的數據。

2019年,丘奇團隊又在《科學》期刊上發表了一項實驗結果。他們將丘奇的一本大約5.34萬個單詞《再生:合成生物學將如何改變未來的自然和自己》的書,以及11張圖片和一段Java程序,編碼進不到億萬分之一克的DNA微晶元,再成功利用 DNA 測序來閱讀這本書。

這些科研的快速發展也意味著DNA合成技術(數據寫入)和DNA測序技術(數據讀取)正走向成熟。但同時,DNA編碼過程仍然存在著存儲/讀取速度和成本等問題,DNA存儲離商業化還在路上。

在實驗室里,看起來DNA存儲並不復雜,但是在商業化上面,仍然還面臨著一些問題。

首先,存儲和讀取的速度都很慢。DNA存儲設備的訪問速度很慢,存取也很費時間。相比較磁碟存儲的電磁信號,DNA合成卻要依賴於一系列化學反應。用磁碟寫入200MB數據,不用1秒,用DNA合成差不多得需要3周的時間。

其次,DNA介質不能覆蓋和重寫。在DNA里,一旦把信息存進去,一般來說不能修改。想讀取這個文檔,需要把全部信息完全測序出來再轉碼。

第三,數據存儲的准確性有待提高。目前DNA測序時的重復讀取導致讀錯概率較大。

第四,隨機讀寫困難。目前DNA合成技術無法一次性產生較長的DNA分子,只能合成眾多的短片段。這使得在眾多DNA小片段組成的混合物當中,快速調取特定數據存在困難。

最後,也是最重要的,DNA存儲成本太高了。比如目前DNA存儲200MB數據,需要耗資80萬美元,而用電子設備,成本連1美元都不到。

但正如上面所說,如果放到更長的時間尺度上和數據存儲空間壓力下,DNA具有的大存儲密度、高節能環保、超長穩定性的獨特優勢就顯現出來了。只要隨著存儲和讀取技術的發展,DNA編碼和測序的效率提升,成本大幅下降,DNA存儲離商業化應用也就不遠了。

那麼,現在在商業化上有哪些進展呢?

在2015年,微軟公司和華盛頓大學合作發表了一個成果,採用定點讀取信息,也就是給一個長長的DNA鏈里加入一些追蹤標記。這些類似索引機制的標記,可以不用每次等測序完整DNA長鏈,就能選取合適的標記進行讀取。

2018年,讀取技術又實現突破,微軟研發了「納米孔」讀取技術,讓 DNA 介質列能擠過一個很小的納米孔而讀取其中每個 DNA 鹼基。這一技術讓大大縮小了讀取設備的空間開支,一個手掌大小的 USB 設備就能進行讀取,但讀取速度在每秒幾KB左右,可以說仍然相當慢。

2019年3月,微軟團隊在《自然》雜志發表一項新的進展,他們開發了世界上第一個自動DNA存儲介質。相比較於手動操作進行DNA的合成和測序,能夠自動化方式進行DNA編解碼才是未來商業化的出路。

另外,關於DNA存儲和讀取時長以及成本的問題,一家2016年成立的美國初創公司Catalog也正試圖嘗試解決。

去年,Catalog將一共16G的維基網路英文版文本存儲在了一個DNA分子上。他們使用了一台DNA書寫器設備,以4Mbps的速度在DNA中記錄這些數據。這意味著在一天內可以記錄125GB,大約相當於高端手機可以存儲的容量。這一速度已經是之前研究所存儲速度的三倍。

目前,Catalog使用了由20到30個鹼基對長預制合成DNA鏈,通過酶嵌套在一起,可以存儲更多的數據。這些片段的排列就像英語使用26個字母一樣,理論上可以創造出無數的組合。據Catalog估計,未來進行1MB數據DNA存儲成本將不到0.001美分。

當然,如果未來這家創業公司真的能夠將成本大幅降下來,那麼確實有可能為DNA數據存儲的商業化鋪平道路。

在2019年,《科學美國人》與世界經濟論壇聯合發布的當年全球十大新興技術中, DNA數據儲存技術名列其中。

可以預見,磁存儲和光存儲方式在未來一段時間仍將占據數據存儲方式的主流。不過,即使我們不會出現地球末日這種極端情況,因為近幾年數據激增,人類也正面臨數據存儲空間不足的嚴峻問題。同時,數據存儲需求激增,帶來的是硅晶片使用量的激增,以及由此引發的環境污染問題、水資源和能源消耗等問題。

DNA存儲技術的實現,一定程度將緩解傳統存儲的容量問題,並大幅減少電子元件和能源的消耗。

㈦ 如何保存基因材料

基因重組的材料是基因片段(含有目的基因)。那麼,這些用於基因重組的基因片段是怎樣保存的呢?生命體的細胞中含有該生物遺傳的全部密碼。為了改造某一生物,把含有目的基因的片段導入該生物的細胞中去,才能培育出帶有外源基因的轉基因生物(動物、植物或微生物)。問題是這個含有外源基因的片段,不是隨時隨地可以覓到的,必須事先保存在一個地方,這就是基因文庫。它是存放基因的「倉庫」。

生物的全部基因就在細胞內的DNA上,這是一條很長的鏈。指揮生物的一切秘密全在上面。遺傳工程科學家為了基因重組方便,就採取先把一種生物細胞中的全部DNA或染色體上的DNA的所有片段,隨機地連接到基因載體上,然後移植到宿主細胞中進行增殖,形成各個片段的無性繁殖系。這樣,該生物的全部基因片段就在宿主細胞內一個不留地全部復制出來。

這好比拍電影,先拍分鏡頭(相當於基因片段),拍好全部鏡頭後進行剪接,配上錄音,就是一部電影了。有了這個電影片子,就可以復制出許許多多相同內容的電影。

從70年代起,科學家已建立了大腸桿菌、酵母菌、果蠅、雞、兔以及大豆、水稻等多種生物的基因文庫。我們要取這些生物的任何一個基因片段進行重組,都非常容易了。

用於偵破的基因指紋

大家知道,在現代偵破手段中,利用指紋尋找罪犯,捉拿兇手,是非常有效的。這是因為世界上幾乎沒有兩個人的指紋是相同的。不同的指紋,實際就代表不同的人。只要在自己的指頭上塗以油墨或者印泥,捺在白紙上就能印出清楚的指紋。因此,在犯罪現場尋覓指紋是極其重要的任務。

現在還有利用基因指紋作為偵破手段的。基因指紋是遺傳學上的概念。原來,人的基因雖然大體上都是一致的,但是仍有不同,而且同樣找不出兩個人會有相同的基因(雙胞胎也有微小區別)。根據基因密碼,經過特殊處理,也會顯示出如同條形碼那樣的紋形——黑白相間,這就是基因指紋。

現代科學技術能從一滴血、一根頭發或者一口唾液中發現基因指紋。如果是一個殺人犯,他在與被害者搏鬥過程中,很可能弄破自己的皮膚而留下極少的血跡。刑偵人員從血跡中就可以找到基因指紋。當刑偵人員從疑犯身上獲得基因指紋,如與現場血跡的基因指紋一致,那麼疑犯就成了百分之百的兇手。至於對強奸犯的偵破,利用精液獲得基因指紋,在國外已經成了常用的偵破手段。

基因指紋用於現代偵破雖然歷史還很短,但已經受到特別的重視。

㈧ 基因文庫的保存

為了有效地保存基因文庫,可通過細菌的繁殖而使包含各個特定DNA片段的細菌增多。液體培養不適用於這一目的,因為各個細菌的生存和繁殖能力不同,各個克隆被保存的機會也會因此而不相等。在固體培養基上每一個細菌單獨形成一個菌落,各個細菌並不相互干擾和競爭,因而有利於全部克隆的保存。形成的每一個菌落中大約包含1000萬個細菌,這樣一個基因文庫中的所有的克隆幾乎都擴增了1000萬倍。把培養皿上的細菌全部洗下加以保存,便可以在需要時從中取得任何一個克隆。

㈨ 為什麼歐洲分子生物實驗室的DNA存儲選擇了三進制

結論放前頭,DNA儲存選擇三進制的原因是為了降低出錯率。這里的DNA儲存是指電子計算機使用DNA作為儲存介質的技術,也就是把DNA當硬碟用的技術,為避免誤會故在此說明二進制的電子計算機有高電平低電平兩種狀態,而學過高中生物都知道,DNA由ATCG四種鹼基組成,那麼很自然會想DNA儲存是不是就應該是用四進制呢(比如A代表0,C代表1,G代表2,T代表3)?這樣可以最大化地提升數據密度而且可以跟普通計算機兼容,畢竟四進制跟二進制的互相轉換是很快的。但是DNA跟普通的快閃記憶體、磁碟是有很大區別的,DNA信息的讀取是通過測序來完成的,而DNA有一個特性是當同樣的鹼基對連續出現時(也就是均聚物)會顯著增加測序出錯的概率。普通文件裡面連續的0或者1是非常常見的,如果直接以四進制編碼成DNA,會出現連續同樣的鹼基對,導致讀取出錯。所以DNA儲存使用了一種叫做「旋轉編碼」的編碼方案來避免相同鹼基的連續出現。簡單來說,就是上一個鹼基如果是A,那麼下一個鹼基只能是C、G、T,其中C代表0,G代表1,T代表2;如果上一個是C,下一個只能是G、T、A,其中G代表0,T代表1,A代表2,以此類推。以這種方式進行編碼,任意一個鹼基和前後的鹼基都是不一樣的,也就避免了均聚物的出現。但是這樣一來,就只能同時使用四種鹼基中的三種來表示狀態,也就是最多隻能用三進制。是實際編碼過程的示例。其中的Huffman code是用於二進制跟三進制轉換的編碼方式,與題目無關此處就不多做解釋了。

㈩ 基因有那些保存的方法

目前國際上已有不少的基因保存技術,但其中的液氮保存與電製冷保存同樣基於低溫保存原理,對溫度要求苛刻且費用昂貴。
納米分子包裹技術則存在保存年限短的缺點。
而恩氏的DNA常溫長期保存技術獲得過國家專利證書,有獨立知識產權。