DNA‐Based Concatenated Encoding System for High‐Reliability and High‐Density Data Storage

计算机科学 DNA 算术编码 计算机数据存储 编码(社会科学) 核苷酸 DNA运算 数据压缩 编码(内存) 算法 计算生物学 计算机硬件 生物 数学 上下文自适应二进制算术编码 遗传学 基因 统计 人工智能
作者
Yubin Ren,Yi Zhang,Yawei Liu,Qinglin Wu,Juanjuan Su,Fan Wang,Dong Chen,Chunhai Fan,Kai Liu,Hongjie Zhang
出处
期刊:Small methods [Wiley]
卷期号:6 (4) 被引量:40
标识
DOI:10.1002/smtd.202101335
摘要

Information storage based on DNA molecules provides a promising solution with advantages of low-energy consumption, high storage efficiency, and long lifespan. However, there are only four natural nucleotides and DNA storage is thus limited by 2 bits per nucleotide. Here, artificial nucleotides into DNA data storage to achieve higher coding efficiency than 2 bits per nucleotide is introduced. To accommodate the characteristics of DNA synthesis and sequencing, two high-reliability encoding systems suitable for four, six, and eight nucleotides, i.e., the RaptorQ-Arithmetic-LZW-RS (RALR) and RaptorQ-Arithmetic-Base64-RS (RABR) systems, are developed. The two concatenated encoding systems realize the advantages of correcting DNA sequence losses, correcting errors within DNA sequences, reducing homopolymers, and controlling specific nucleotide contents. The average coding efficiencies with error correction and without arithmetic compression by the RALR system using four, six, and eight nucleotides reach 1.27, 1.61, and 1.85 bits per nucleotide, respectively. While the average coding efficiencies by the RABR system are up to 1.50, 2.00, and 2.35 bits per nucleotide, respectively. The coding efficiency, versatility, and tunability of the developed artificial DNA systems might provide significant guidance for high-reliability and high-density data storage.
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