MOLECULAR INFORMATION ENGINEERING 9-1

DNA Data Preservation

DNA 저장 매체와 장기 보존

보존의 평가 기준 / DNA 손상과 환경 / 실리카와 고분자 보존 / 가속 시험과 복원 평가

송영준 Youngjun Song / 인천대학교 / 75분

강의 폴더강의 안내

DNA 보존과 파일 복원

  • 보존 대상: 염기 정보와 복원에 필요한 분자 사본
  • 평가 항목: 분자 손상, 사본 손실, 복원 성공률
  • 보존 조건과 읽기 과정의 연계

https://doi.org/10.1002/anie.201411378

보존 시스템의 구성

  • DNA: 서열과 사본 수
  • 보호 재료: 실리카, 고분자, 표면
  • 용기와 환경: 습도, 산소, 온도
  • 메타데이터: 파일 주소, 부호 규칙, 버전

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분자 안정성과 정보 안정성

  • 화학적 안정성: 결합과 염기의 유지
  • 증폭 가능성: 온전한 프라이머 부위와 주형
  • 정보 안정성: 오류정정 범위 안의 손상
  • 최종 기준: 원본 byte 및 해시 일치

https://doi.org/10.1002/anie.201411378

분자 사본과 무작위 손실

model_survival
사본 독립 생존 모형 / 교육용 모형, 측정 데이터 아님
  • 한 서열의 사본 수를 m으로 표기
  • 각 사본의 생존 확률을 p로 가정
  • 전부 소실될 확률: (1−p)^m
  • 독립·동일 생존을 가정한 교육용 모형

P(loss) = (1 − p)^m

확인·실습 문제

p=0.5일 때 m=1과 m=10의 전체 소실 확률 비교

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Hydrolysis 가수분해

  • 수분에 의한 염기·당·골격의 화학 변화
  • Depurination: 퓨린-당 결합 손실
  • AP site: apurinic/apyrimidinic site, 무염기 자리
  • 무염기 자리의 추가 반응과 사슬 절단
  1. 염기-당 결합의 가수분해
  2. 무염기 자리 형성
  3. 추가 반응에 따른 사슬 절단 가능성

https://doi.org/10.1038/362709a0

Deamination 탈아미노화

  • 염기의 아미노기 손실
  • Cytosine에서 uracil로 변화 가능
  • 복제·판독 과정에서 치환 오류로 관측 가능
  • 분자 개수 유지와 정보 유지의 차이

https://doi.org/10.1038/362709a0

산화와 자외선 손상

  • 활성산소에 의한 염기·당 손상
  • 자외선에 의한 광화학 반응
  • 광원 종류와 조사량에 따른 차이
  • 차광, 산소 차단, 재료의 투과성 고려

https://doi.org/10.1002/anie.201411378

용액 보존과 건조 보존

  • 용액: 취급과 분주에 유리
  • 건조: 수분 관련 반응을 줄이는 설계
  • 잔류 수분, 염, pH, 건조 방식의 영향
  • 건조 후 재용해와 회수율 평가

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온도와 반응 속도

  • 온도 상승에 따른 손상 속도 증가 가능
  • 반응마다 다른 활성화 에너지
  • Arrhenius 모형: k=A exp(−Ea/RT)
  • 측정 범위 밖 외삽의 불확실성

k(T) = A exp(−Ea / RT)

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보존 조건의 설계

  • 수분 유입 경로의 차단
  • 산소·빛·열의 노출 관리
  • 분주 단위와 반복 개봉 횟수의 관리
  • 회수 방법과 보존 재료의 동시 선택

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Silica encapsulation 실리카 캡슐화

  • 무기 매트릭스 안에 DNA를 봉입
  • 외부 환경과 DNA 사이의 장벽 형성
  • 보호 효과와 DNA 회수 가능성의 동시 평가
  • 입자 크기와 사슬 길이는 서로 다른 변수

https://doi.org/10.1002/anie.201411378

Grass 연구의 가속 열화 실험

  • 2015년, 실리카와 오류정정을 결합한 DNA 보존
  • 83 kB, 4,991개 DNA 조각의 저장 사례
  • 실리카 내 DNA를 70 °C에서 1주 처리 후 정보 복원
  • 장기 수명은 속도 모형에 따른 환산

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실리카의 기능 분리

DNA sequences encoding data
MIT researchers / MIT News
  • 물리적 보호: 내부 DNA와 환경의 분리
  • 표면 기능화: 주소·태그의 연결
  • 선택: 태그를 인식하는 분자나 형광 탐침
  • 해체·회수: 선택된 DNA를 읽을 수 있는 상태로 전환

https://news.mit.edu/2021/dna-data-storage-0610

보호 재료의 회수 단계

  • 보호층의 제거 또는 DNA 방출
  • 남은 재료와 시약의 효소 반응 영향
  • 회수 후 농도·길이·증폭 가능성의 확인
  • 보호 전후 물질수지의 기록

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고분자 내 DNA 봉입

  • 고분자 네트워크를 이용한 DNA 격리
  • 상온 취급과 환경 노출에 대한 보호 설계
  • DNA와 고분자의 상용성 및 방출 방법
  • 재료 무게를 포함한 실효 저장 밀도

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T-REX 고분자 보존 연구

Diagram showing the “encase and store” inset with zoomed in polymer and “deconstruct and retrieve,” with individual DNA strands, phases of DNA storage
MIT researchers / MIT News
  • Thermoset-REinforced Xeropreservation
  • 가교 고분자 안에 DNA를 봉입하는 연구 사례
  • 봉입, 보관, 재료 해체, DNA 회수의 과정
  • 연구에서 시험한 조건과 장기 예측의 구분
  1. DNA와 전구체의 혼합
  2. 보호 고분자 네트워크 형성
  3. 저장 후 네트워크 해체
  4. 방출 DNA의 회수와 분석

https://news.mit.edu/2024/scientists-preserve-dna-amber-polymer-0613

DNA ink와 표면 보존

  • 잉크: DNA와 용매·첨가제의 분산 또는 용액
  • 기판에 일정 위치·양으로 도포
  • 건조, 고정화, 보호층 형성의 선택
  • 위치별 주소와 회수량의 관리

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보존 매체 비교

형태장점의 근거함께 평가할 항목
건조 튜브소분·기밀 용기잔류 수분과 개봉
실리카무기 보호층해체·회수
고분자네트워크 봉입방출·효소 적합성
표면·필름공간 주소도포·회수 편차
  • 건조 튜브: 단순 취급, 반복 개봉의 영향
  • 실리카 입자: 보호·표면 태그와 해체 과정
  • 고분자: 물리적 보호와 재료 해체의 설계
  • 표면·필름: 공간 주소와 회수 균일성

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DNA 보존 연구 참고 영상

How to preserve fleeting digital information with DNA for future generations

American Chemical Society YouTube에서 보기

영상의 관찰 항목

  • 실리카 봉입과 정보 복원의 연구 맥락
  • 실제 가속 시험과 수명 환산의 구분
  • 연구자 발표에서 확인할 조건

https://fml.ethz.ch/news-and-events/fml-news/2015/08/acs-press-conference-about-storing-digital-information-with-dna.html

가속 열화 실험의 설계

  • 무처리 대조군과 재료 대조군
  • 온도·습도·노출 시간의 기록
  • 보존 전후 같은 방법으로 회수
  • 생존 분자와 파일 복원 결과를 별도 보고
확인·실습 문제

실리카 보호 효과를 비교할 대조군과 측정 항목 설계

https://doi.org/10.1002/anie.201411378

손상과 회수의 측정

  • 형광 정량: 총량의 지표
  • 전기영동: 길이 분포와 절단의 지표
  • qPCR: 특정 구간의 증폭 가능 사본
  • 시퀀싱·복호: 서열 오류와 파일 복원

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실효 밀도의 분모

  • 순수 DNA 질량당 payload
  • DNA와 보호 재료 질량당 payload
  • 용기·기판을 포함한 부피당 payload
  • 중복 사본·주소·오류정정 비율의 포함

실효 밀도 = 복원 가능한 payload / 전체 패키지 질량 또는 부피

https://doi.org/10.1002/anie.201411378

사본 수와 복원 성공률의 실험

분자 손실
Organick et al., Nature Communications 11, 616 (2020), Fig. 2
  • 평균 10 copies/sequence 조건의 복원 연구
  • 파일 크기, 풀 복잡도, sequencing coverage의 영향
  • 시험한 부호와 실험 조건에 한정된 결과
  • 모든 DNA 보존법의 보장치로 일반화 금지

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14319-8

보존 성능 보고서의 항목

  • 보관 재료와 DNA 형태
  • 실제 측정 시간·환경·반복 수
  • 회수율과 증폭 가능 사본 수
  • 복원 성공 여부 및 검증 방법
  • 외삽 모형과 불확실성

https://doi.org/10.1002/anie.201411378

확인 문제와 보존 설계

  • 가속 열화 결과와 실시간 수명 측정의 차이
  • 장기 보존과 빠른 회수 사이의 절충
  • 분자 회수율이 높아도 파일 복원에 실패하는 이유
확인·실습 문제

대학 기록 파일 보존용 매체 한 가지를 선택하고 보호·회수·복원 검증 절차 설명

https://doi.org/10.1002/anie.201411378