MOLECULAR INFORMATION ENGINEERING 10-1

Random Access in DNA Data Storage

DNA 파일의 선택과 Random Access 방법

파일 주소와 선택적 PCR / 분자 표본화와 복원 한계 / 원본 재사용과 구획화 / 입자 검색과 공간 주소

송영준 Youngjun Song / 인천대학교 / 75분

강의 폴더강의 안내

DNA 파일 접근의 물리적 과정

선택 기준실험에서의 주소
염기 서열프라이머·overhang·Cas9 target
입자 특성형광 표지·반사 파장·크기
공간 위치well·표면 점·테이프 구역
판독 중 신호nanopore tag의 전류 특징
  • 파일 이름과 분자 주소의 대응
  • 표적 분자의 농축 또는 물리적 분리
  • 선택한 DNA의 시퀀싱
  • 가닥 조립·오류정정 후 파일 복원

https://doi.org/10.1038/nbt.4079 ; https://doi.org/10.1038/s41467-020-16797-2 ; https://doi.org/10.1126/sciadv.adw2613 ; https://doi.org/10.1126/sciadv.ady3406

Random Access와 가닥 index

영역공통으로 갖는 분자사용 시점
파일 주소같은 파일의 여러 가닥시퀀싱 전 선택
가닥 index파일 안의 특정 조각판독 후 조립
시료 barcode같은 sequencing libraryrun의 분류
  • File address(파일 주소): 읽을 파일을 선택
  • Strand index(가닥 index): 파일 내부 순서의 복원
  • Sample barcode(시료 표지): 한 run의 시료 구별
  • 각 기능에 필요한 서열 길이의 배분

https://doi.org/10.1038/nbt.4079

선택 읽기와 재기록의 초기 연구

Yazdi et al., Scientific Reports (2015)

기능필요한 설계
선택 읽기표적 블록의 고유 주소
주소 특이성다른 주소·payload와의 교차 결합 억제
부분 수정선택 블록의 편집과 재조립
검증선택·수정한 내용의 판독
  • Yazdi 등의 2015년 연구
  • 주소가 붙은 블록별 선택
  • 대학 6곳의 문서를 DNA로 기록
  • 선택한 3곳의 문서 일부를 접근·수정

https://doi.org/10.1038/srep14138

200 MB 규모의 PCR 기반 파일 접근

Organick et al., Nature Biotechnology (2018)

규모의 종류보고한 값
파일 수35
데이터량200 MB 이상
합성 서열 수1,300만 개 이상
선택·검증파일별 접근 후 원본 복원
  • 35개 파일, 200 MB 이상의 데이터
  • 1,300만 개 이상의 DNA oligo
  • 파일별 프라이머로 개별 접근
  • 선택한 파일의 오류 없는 복원

https://doi.org/10.1038/nbt.4079

선택적 PCR의 반응 과정

PCR
NHGRI
  • Denaturation(변성): 두 가닥의 분리
  • Annealing(어닐링): 주소 프라이머의 결합
  • Extension(신장): 표적 구간의 복제
  • 반복에 따른 표적 분자의 상대 비율 증가
  1. 주형 가닥 분리
  2. 주소 프라이머 결합
  3. 표적 구간 복제
  4. 증폭 산물의 판독

https://doi.org/10.1038/nbt.4079 ; https://www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/Polymerase-Chain-Reaction-Fact-Sheet

증폭 효율과 표적 농축

  • 초기 표적량 N0와 사이클 효율 E
  • 단순 모형: N=N0(1+E)^c
  • 표적과 비표적의 효율 차이
  • Primer dimer·교차 결합·증폭 편향

N(c) = N₀(1 + E)^c

확인·실습 문제

표적을 늘리는 PCR 선택과 비표적을 제거하는 물리적 분리의 차이 설명

https://doi.org/10.1038/nbt.4079

적은 사본 수에서의 파일 복원 실험

실험 설계
Organick et al., Nature Communications 11, 616 (2020), Fig. 1

물 희석과 복잡한 DNA 배경에서의 희석. 입력 사본 수와 배경 풀 복잡도의 독립적 조절.

https://doi.org/10.1038/s41467-020-14319-8

평균 10 copies 조건의 실험 결과

분자 손실
Organick et al., Nature Communications 11, 616 (2020), Fig. 2

입력 사본 수와 sequencing coverage의 구분. 실험한 파일과 부호에서의 복원 결과.

https://doi.org/10.1038/s41467-020-14319-8

무작위 분주와 Poisson 표본화

model_poisson
Poisson 분주 모형 / 교육용 모형, 측정 데이터 아님
  • λ: 분주액에 포함되는 서열별 평균 사본 수
  • 한 서열이 빠질 확률: exp(−λ)
  • λ=1: 약 36.8%
  • λ=10: 약 0.00454%

P(N=0) = exp(−λ)

https://doi.org/10.1038/s41467-020-14319-8

서열별 소실과 파일 전체의 소실

교육용 계산값
서열별 미포함 확률exp(−10)≈0.0000454
미포함 서열 수의 기댓값10,000×exp(−10)≈0.454
하나 이상 미포함1−(1−exp(−10))^10,000≈0.365
파일 복원허용 dropout과 부호에 따라 결정
  • 가상 파일: 서로 다른 서열 10,000종
  • 균일한 평균 사본 수 λ=10 가정
  • 예상 미포함 서열 수: 약 0.454종
  • 하나 이상 빠질 확률: 약 36.5%
확인·실습 문제

서열별 소실 확률과 파일 복원 실패율의 차이 설명

https://doi.org/10.1038/s41467-020-14319-8

분자 수와 sequencing depth

조작주로 바꾸는 것
분주량 증가입력 분자 사본 수
PCR 조건 조절증폭량·서열별 편향
시퀀싱 양 증가기록한 read 수
원본 고정·회수다음 접근에 남는 원본
  • 분자 표본화: 어떤 서열이 포함되는가
  • 증폭 편향: 포함된 서열이 얼마나 늘어나는가
  • Sequencing depth: 산물을 몇 번 읽는가
  • 복원 평가: 서열 coverage의 분포와 dropout

https://doi.org/10.1038/s41467-020-14319-8

DORIS의 분리·전사·원본 반환

Lin et al., Nature Communications (2020), Fig. 3a (부분 확대)

Overhang 선택, 자성 분리, RNA 전사, cDNA 판독과 원본 DNA 반환.

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16797-2

Overhang 주소와 payload의 분리

Lin et al. (2020), Fig. 2

Fig. 2: DORIS eliminates non-specific interactions and increases density and capacity limits. Full size image a Single primer extension created ss-dsDNAs. (Bottom) 4 cycles of PCR
Lin et al., Nature Communications (2020), Fig. 2
  • 주소: 노출된 single-stranded overhang
  • Payload: 이중가닥 영역에 배치
  • 상온 포획과 PCR의 고온 가닥 분리 비교
  • 주소·payload 내부 결합에 대한 특이성 평가

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16797-2

반복 접근 뒤에 남는 원본 DNA

Lin et al. (2020), Fig. 3b–c 부분 확대

Lin et al., Nature Communications (2020), Fig. 3b–c (부분 확대)
  • 선택 파일 A와 비선택 파일 B·C 비교
  • RNA polymerase 유무에 따른 시료 회수
  • 같은 파일에 대한 5회 반복 접근
  • 5회 뒤 파일 A의 약 50% 잔존

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16797-2

MDRAM의 자성 비드 고정 DNA

Figure 1 Full size image MDRAM overview. (A) Raw data is encoded into nucleotide bases using a convolutional encoding workflow, and are synthesized as an oligonucleotide pool. The
Lau et al., Scientific Reports (2023), Fig. 1

원본 DNA의 비드 고정, 표적 PCR, 복제 산물의 nanopore 판독.

https://doi.org/10.1038/s41598-023-29575-z

동일 비드에서의 순차적 파일 접근

Lau et al. (2023), Fig. 2D 부분 확대

Lau et al., Scientific Reports (2023), Fig. 2D (부분 확대)
  • 같은 MDRAM batch의 순차적 접근
  • 각 실험에서 다른 파일을 PCR로 선택
  • 열 지도: read가 정렬된 파일의 분율
  • 대각선 농축과 비표적 read의 비교

https://doi.org/10.1038/s41598-023-29575-z

조합 주소의 구성과 검증

Lau et al. (2023), Fig. 4A 부분 확대

Lau et al., Scientific Reports (2023), Fig. 4A (부분 확대)
  • 6개 주소 위치, 위치별 8종 barcode
  • 가능한 조합 수: 8⁶=262,144
  • 선택한 조합의 조립·농축 검증
  • 조합 가능 수와 실제 파일 수의 구분

https://doi.org/10.1038/s41598-023-29575-z

온도 응답성 미세캡슐의 구획화

Fig. 1. Proteinosomes as a platform for DNA data storage. Open in a new tab a, Schematic of proteinosomes used for DNA-encoded data storage. Proteinosomes with BSA–PNIPAm-based the
Bögels et al., Nature Nanotechnology (2023), Fig. 1

캡슐 내부 원본 고정, 온도에 따른 막 투과성, 병렬 PCR과 캡슐 재사용.

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01377-4

구획화 PCR의 반복 접근 결과

Bögels et al. (2023), Fig. 5D 부분 확대

Bögels et al., Nature Nanotechnology (2023), Fig. 5D (부분 확대)
  • 비교: bulk, emulsion, proteinosome PCR
  • 반복 접근 후 서열별 dropout 평가
  • 해당 실험의 평균 dropout: 36.10%와 0.91%
  • 증폭 편향과 재사용 가능한 구획의 관계

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01377-4

실리카 캡슐의 내용 기반 주소

Banal et al., Nature Materials (2021); 사진: MIT News

DNA sequences encoding data
MIT researchers / MIT News
  • 내부: 이미지 파일을 담은 DNA plasmid
  • 표면: 내용의 특징을 나타내는 DNA barcode
  • 상보적인 형광 probe의 결합
  • Fluorescence-activated sorting으로 분리
  1. 표면 태그와 probe 결합
  2. 형광 sorting
  3. 선택 캡슐의 보호층 제거
  4. 내부 DNA 판독

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01021-3 ; https://news.mit.edu/2021/dna-data-storage-0610

Boolean query와 형광 분류

Banal et al. (2021)

교육용 query선택 조건
A AND BA 양성, B 양성
A OR BA 또는 B 양성
A AND NOT BA 양성, B 음성
  • AND: 두 표지 조건을 동시에 만족
  • OR: 어느 한 표지 조건을 만족
  • NOT: 해당 표지 조건을 제외
  • 입자 내부 파일의 판독으로 검색 결과 확인
확인·실습 문제

animal, cat 태그를 이용하여 동물 중 고양이를 제외하는 Boolean query 작성

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01021-3

광결정 입자의 세공과 구조색

Liu et al., Science Advances (2025), Fig. 2C–H 부분 확대

Liu et al., Science Advances (2025), Fig. 2C–H (부분 확대)
  • Bottlebrush block copolymer의 다공성 입자
  • 연결된 세공에 DNA 흡착
  • 세공 구조에 따른 반사 파장 변화
  • 구조색을 이용한 파일 주소

https://doi.org/10.1126/sciadv.adw2613

반사 파장과 입자 크기의 2차원 주소

Liu et al. (2025), Fig. 4B 부분 확대

Liu et al., Science Advances (2025), Fig. 4B (부분 확대)
  • 8개 반사 파장과 4개 입자 크기
  • 실험의 주소 조합: 8×4=32
  • Microscope–spectrometer로 표적 식별
  • 입자별로 분리한 파일의 선택

https://doi.org/10.1126/sciadv.adw2613

광학 선택 후 DNA 방출과 파일 회수

Liu et al., Science Advances (2025), Fig. 4C–F (부분 확대)

입자 분리, DNA 방출, PCR·시퀀싱과 교차 오염 평가.

https://doi.org/10.1126/sciadv.adw2613

DNA 테이프의 2단계 공간 주소

Fig. 2. Physical partitions and file-addressing on DNA tape. Open in a new tab (A) Roll of DNA tape with a barcode pattern (Code-128) and a size of 5 mm by 15 m (top). Distributi
Li et al., Science Advances (2025), Fig. 2

Barcode 기반 1차 위치 결정과 표적 구역의 2차 정렬.

https://doi.org/10.1126/sciadv.ady3406

DNA 테이프 장치와 시료 처리

Li et al. (2025), Fig. 6A–C 부분 확대

Li et al., Science Advances (2025), Fig. 6A–C (부분 확대)
  • 기계부: 테이프 이송과 위치 제어
  • 광학부: barcode reader·위치 센서
  • 화학부: 보호층 제거·회수·재봉입
  • 관리부: 파일 주소와 실험 동작의 연결
  1. 표적 위치로 이동
  2. 보호층 제거
  3. DNA 회수·원본 회복
  4. 재봉입 또는 교체

https://doi.org/10.1126/sciadv.ady3406

선택적 절단에 의한 파일 접근

Fig. 1. Schematic of Cas9 random access workflow. Open in a new tab A Each 165 nt file has a payload and address that contains a unique Cas9 target site including a PAM. On either
Imburgia et al., Nature Communications (2025), Fig. 1

주소 선택 절단, adapter ligation과 nanopore 판독. 라이브러리 준비와 접근 단계의 구분.

https://doi.org/10.1038/s41467-025-61264-5

분자 접근과 시퀀싱 중 선택

방법선택 단계주요 제어
PCR판독 전표적 사본 증가
입자·bead 분리판독 전물리적 분리
Cas9 접근판독 준비절단·adapter 연결
Adaptive sampling판독 중신호 분류·전압 제어
  • Cas9 연구: 25개 파일, 약 160만 DNA 서열
  • Adaptive sampling: 초기 tag 신호의 분류
  • SUSTag-ORCtrL 연구: 96·384종 tag 분류
  • 선택 시점: 판독 전 처리 또는 판독 중 제어

https://doi.org/10.1038/s41467-025-61264-5 ; https://doi.org/10.1038/s41467-025-64293-2

Random Access 방법의 비교

방법주소얻는 것
PCR프라이머 서열표적 amplicon
DORISssDNA overhangRNA·cDNA
MDRAM원본의 primer 주소복제 DNA
캡슐·광결정Tag·색·크기선택 입자
테이프물리적 위치선택 구역의 DNA
Cas9·adaptiveTarget·전류 tag선택 library·read
  • 주소의 종류와 원본의 위치
  • 한 번의 접근에 필요한 처리
  • 반복 읽기에서의 손실과 편향
  • 검증 단위: 분자·서열·파일
확인·실습 문제

반복 읽기가 필요한 1,000개 파일의 주소, 원본 위치, 회수 과정과 파일 검증 방법 설계

https://doi.org/10.1038/nbt.4079 ; https://doi.org/10.1038/s41467-020-16797-2 ; https://doi.org/10.1038/s41598-023-29575-z ; https://doi.org/10.1126/sciadv.adw2613 ; https://doi.org/10.1126/sciadv.ady3406 ; https://doi.org/10.1038/s41467-025-61264-5