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布隆过滤器在DNA存储的纠错及版本管理功能中的应用探索

批准号:
32101182
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
平质
学科分类:
合成生物学与生物改造技术
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
平质

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
DNA存储作为一种颠覆性的数据长期存储技术,以其信息密度高、保存时间久以及维护成本低的优势,受到了合成生物学、生物信息学等领域的广泛关注。探索高效、稳定、经济的DNA存储方式和功能模块,是目前的研究热点。但是,DNA信息存储领域中目前纠错手段仍然较为单一、数据读取算力需求高。因此,如何确保DNA数据的准确性,优化数据读取流程、实现高效低成本的数据版本控制,成为了领域内的关键问题之一。本项目拟使用布隆过滤器为主要工具,进行DNA存储纠错新方法的探索。以DNA存储的读流程为切入点,利用现有DNA合成技术为多拷贝合成的特点,通过模拟测试与实验验证相结合进行研究,探究布隆过滤器用于DNA存储纠错的实际效率,揭示影响纠错效率的各因素,同时建立应用布隆过滤器实现低成本高效版本控制管理的机制。本项目对DNA存储的流程优化、功能设计等具有重要的指导意义,同时将提供生物技术与信息技术有机融合的新思路。
英文摘要
As an overturning long-term data storage technique, DNA storage has the advantage of remarkable high information density, durability, and low maintenance cost, thus attracted much attention from synthetic biology and bioinformatic researchers. It is one of the hottest topics to develop highly efficient, stable, and cheap DNA-based data storage and its functional applications. However, a major issue in DNA-based data storage is that currently we have limited strategies for error correction and sequencing data process usually has high demand of computing resources. Therefore, it is critical to investigate how to ensure information fidelity, optimize the data-reading procedure, as well as develop version control mechanism with high efficiency and low cost. In this project, we will use Bloom Filter as major tool, to explore novel strategies for DNA storage error-correction. We choose ‘reading’ process of DNA storage, which is currently overlooked, as object for study. We will combine in-silico simulation and experimental validation to test the actual error-correcting efficiency and to reveal the factors which may affect the efficiency. We will also develop a low-cost and high-efficient file version control system applying Bloom Filter. It will show the significance for optimizing DNA storage process and functional design and will lay a foundation for the follow-up research on end-to-end DNA storage and turning over for average applications. It also provides novel perspective for the integration of information technology and biotechnology.
DNA存储作为一种颠覆性的数据长期存储技术,以其信息密度高、保存时间久以及维护成本低的优势,受到了合成生物学、生物信息学等领域的广泛关注。探索高效、稳定、经济的DNA存储方式和功能模块,是目前的研究热点。但是,DNA信息存储领域中目前纠错手段仍然较为单一、数据读取算力需求高。因此,如何确保DNA数据的准确性,优化数据读取流程、实现高效低成本的数据版本控制,成为了领域内的关键问题之一。.本项目通过使用布隆过滤器为主要工具,进行DNA存储纠错新方法的探索。以DNA存储的读流程为切入点,利用现有DNA合成技术为多拷贝合成的特点,通过模拟测试与实验验证相结合进行研究,探究布隆过滤器用于DNA存储纠错的实际效率,揭示影响纠错效率的各因素,同时建立应用布隆过滤器实现低成本高效版本控制管理的机制。另一方面,本研究开发了多种DNA存储的稳定编解码方法,实现了DNA存储稳定性两个数量级的提升。项目成果在Nature Computational Science, Briefings in Bioinformatics, Bioinformatics, GigaByte等期刊发表研究论文4篇,在《集成技术》发表综述论文1篇。.本项目研究结合DNA存储的生化过程,对DNA存储的流程优化、功能设计,尤其是数据读取过程进行了充分研究。与常规分子生物学思路不同,首次实现了信息学工具在DNA存储领域的功能性应用,是DNA 存储技术领域的重要技术突破,将为我国重要信息存储提供新型战略储备技术与海量数据存储及管理新范式。
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