DNA存储场景下基于引物索引矩阵的文件高效随机检索方法

DNA分子具有密度高和稳定性的优势,有望成为下一代海量数据存储需求的介质,近年来受到广泛关注。目前将引物作为文件的唯一标识,基于聚合酶链式反应(PCR)扩增技术可实现对DNA池存储文件的随机检索,但对引物与文件之间的分配和映射关系没有进行深入研究,仍然采用随机分配的方式来关联引物与文件,这会导致目标引物序列的查找效率降低,且保存引物与文件的映射关系表会造成大量的数据冗余。为了提供一种高效的硅基计算设备与碳基存储系统的连接桥梁,有效降低存储引物与文件映射关系所带来的数据冗余,该文提出一种基于引物索引矩阵的DNA存储随机检索方法。该方法通过将存储文件集按照文件的不同属性进行划分来构建引物索引矩阵,同时将引物库中的引物按照转换规则转化为有序引物库,最后优化引物与文件之间的映射关系,以实现对文件的高效、多维度检索。实验结果表明,在存储不同规模的文件集时,运用所提算法建立对应的引物索引矩阵,可将引物检索效率提高为常数级时间复杂度,并且存储引物与文件的映射关系所需要的额外存储空间从原来的线性增长优化为对数增长。

柔性化、智能化、自动化细胞工厂

“合成生命,设计生命”是合成生物学与生物制造的重要使命,通过按需设计、化学再造人工基因组,实现人工细胞工厂的精准构建。当前细胞工厂面临代谢网络复杂、缺乏理性设计、试错成本高、底盘生物改造周期长等瓶颈问题,限制了细胞工厂的应用。基于合成基因组学的柔性生物底盘,集成机器学习辅助智能设计、自动化高通量构建检验是潜在的解决途径,三者融合将构建下一代柔性化、智能化、自动化细胞工厂,打造分子生物合成的研发新范式,极大加速设计—合成—测试—优化的循环迭代,实现高价值目标分子的按需设计与快速生产。本文结合笔者近年在细胞工厂构建方面的研究工作,从国内外细胞工厂柔性化、智能化、自动化等方面进行综述,并展望未来发展趋势。

大肠杆菌的耐酸机制及其改造研究进展

微生物细胞在自然环境或工业应用中经常受到酸胁迫,严重制约细胞生长性能和产物合成效率。为了在各种酸性环境中生存,耐酸细菌发展出多种保护机制来维持细胞内pH稳态,如氢离子消耗、细胞膜保护、代谢修饰等。因此,深入研究耐酸机制、改进菌株耐酸能力对于利用微生物发酵合成高附加值产品具有重要意义。作为模式微生物,大肠杆菌耐酸机制的研究较为透彻,近年来其耐酸性改造也取得了重大进展。本文主要总结了大肠杆菌的氧化或葡萄糖抑制系统(acid resistance system 1,AR1)、谷氨酸依赖型耐酸系统(acid resistance system 2,AR2)、精氨酸依赖型耐酸系统(acid resistance system 3,AR3)、赖氨酸依赖型耐酸系统(acid resistance system 4,AR4)和鸟氨酸依赖型耐酸系统(acid resistance system 5,AR5)、细胞膜保护以及生物大分子修复等方面的耐酸机制,并概述了利用传统代谢工程、全局转录工程和适应性实验室进化等方法构建大肠杆菌耐酸菌株的研究进展,同时展望了大肠杆菌耐酸机制及其改造的后续研究方向。