초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 5 kb의 DNA 조각을 기본 단위로 단일 분자 DNA 영상화를 이용하여 정보를 저장하는 방법을 개발하였다. 정보 저장의 단위 분자로 A/T-rich를 ‘1’로 C/G-rich를 ‘0’으로 하여 조각을 연결하고, DNA에 결합하는 형광 단백질 혹은 형광염료로 A/T와 C/G를 다른 색깔로 표지하여 1010과 같은 2진수 정보를 저장하였다. 본 연구에서 개발한 정보 저장 방법은 지금까지 보고된 적이 없는 새로운 방법으로써 기존의 DNA 서열 분석법을 근간으로 하는 방법들에서 문제가 되던 DNA

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 5 kb의 DNA 조각을 기본 단위로 단일 분자 DNA 영상화를 이용하여 정보를 저장하는 방법을 개발하였다. 정보 저장의 단위 분자로 A/T-rich를 ‘1’로 C/G-rich를 ‘0’으로 하여 조각을 연결하고, DNA에 결합하는 형광 단백질 혹은 형광염료로 A/T와 C/G를 다른 색깔로 표지하여 1010과 같은 2진수 정보를 저장하였다. 본 연구에서 개발한 정보 저장 방법은 지금까지 보고된 적이 없는 새로운 방법으로써 기존의 DNA 서열 분석법을 근간으로 하는 방법들에서 문제가 되던 DNA 손상으로 인한 정보의 손실에 크게 영향을 받지 않는 장점을 가지고 있다. 또한, 단일 분자 DNA 이미지에서 정보를 읽기 때문에 보다 빠르게 정보를 얻을 수 있다는 장점도 가지고 있다.

연구결과
● 정보 저장 단위체 DNA 단편 설계 및 제작
- 주형 DNA 선정 및 단편 제작의 전략을 수립함. A/T 및 C/G 가 많은 DNA를 제작
- 각 단편의 점착 말단을 BsaI 제한효소를 이용하여 자가 결합 (self-ligation) 및 결합 방향성 (ligation orientation)을 제어하도록 설계함.
● DNA 연결 효소(DNA ligase) 반응 최적화
- 고효율을 보일 수 있도록 Polyethylene glycol이 첨가 된 반응 완충 용액을 개발함
- 반응 효율을 겔 전기영동 및 단일 분자 수준에서 측정하고 최적화를 진행함.
● 서열에 따라 다른 색을 갖는 형광 염료 개발
- 새로운 단백질을 이용한 서열 특이적 염색 방법을 개발
- 새로운 유기 합성 물질을 이용한 서열 선택적 염색 방법을 개발
● DNA 단일 분자 정보 저장
- DNA 단편 및 최적화 된 결합효소 (ligase) 반응을 이용, 분자 수준에서 정보를 저장하여 관찰함.
● 미세유체장치 제작
- 장치 내부에서 정보를 저장하기 위해 4개 이상의 주입구가 있는 미세유체장치를 고안하고 염료를 이용해 장치의 작동 원리를 확인하였으며 이 장치내에서 DNA 단편을 연결함.

연구결과의 활용계획
본 연구에서 개발한 단일 분자 DNA 영상화를 이용한 데이터의 읽기와 쓰기는 기존의 다른 분자 수준 방법들과 비교하여 읽는 속도가 매우 빠르고 분자 손상에 크게 영향을 받지 않기 때문에 효과적으로 정보를 오랬동안 저장할 수 있는 방법으로써 기존의 광학이나 자기장을 이용한 저장 매체들을 대체하는 새로운 기술이 될 것이다. 따라서 많은 양의 정보의 보관에 있어 매우 향상된 능력을 가짐으로써 앞으로 다가올 폭발하는 데이터 양을 감당할 수 있는 새로운 저장 매체로써 주목받을 만한 새롭고 유용한 소자가 될 것으로 기대된다.

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose&contents
In this study, we newly developed a method to store information by visualization of single DNA molecule where the basic unit of information is 5 kb of DNA fragment. As the elementary unit molecules for information storage, we use A/T-rich DNA for ‘1’, and C/G-rich DNA for ‘0’, fo

Purpose&contents
In this study, we newly developed a method to store information by visualization of single DNA molecule where the basic unit of information is 5 kb of DNA fragment. As the elementary unit molecules for information storage, we use A/T-rich DNA for ‘1’, and C/G-rich DNA for ‘0’, followed by directional ligation. We wrote binary information such as ‘1010’, labeling A/T and C/G as different colors with sequence-specific DNA binding proteins and organic fluorophores. Storing information approach we developed has advantages for preventing DNA damages from external sources, which are considerable issues for DNA sequencing-based information storage. Furthermore, it shows rapid information reading, because of output data images of single DNA molecule.

Result
● Design for unit DNA fragments and synthesis
- Selection of template DNA, and efficient strategy for DNA fragment generation. Synthesis of A/T-rich DNA and C/G-rich DNA
- Using BsaI restriction enzyme, we designed controllable ligation for each fragment, considering self-ligation and ligation orientation.
● Optimization of DNA ligation reaction
- Development of polyethylene glycol-containing buffer solution for high fidelity.
- Measurement of reaction efficiency by gel electrophoresis and single molecule level, and optimization of reaction.
● Development of fluorescent dyes for sequence specific labeling
- Sequence specific DNA staining using newly engineered proteins
- Sequence specific DNA staining using newly designed organic molecules
● Information storage of single DNA molecule
- Using DNA fragments and optimized ligation reaction, we stored information and observed long DNA at single DNA level.
● Design microfluidic devices
- In order to store information in the device, we devised 4-way unidirectional microfluidics for one-spot reading and writing information. Further, we preliminarilly ligated several DNA fragments.

Expected Contribution
Reading and writing data using visualization of single DNA molecules can provide a novel approach for effective long-term storage of information compared to conventional optical or magnetic storing devices, because it shows fast reading speed, and is more tolerant to DNA degredation. Therefore, we expect that DNA information storage platform can provide one of the alternative devices for existing materials, demonstrating advanced capacities for large amounts of data.

(출처 : SUMMAYR 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 12
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 14
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 22
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 23
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 23
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 23
• 8. 참고문헌 ... 23
• 9. 연구성과 ... 24
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 24
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 24
• 12. 기타사항 ... 24
• 별첨1 대 표 연 구 성 과 ... 25
• 끝페이지 ... 26