Naša DNA sa stáva najmenším pevným diskom na svete

Vedci navrhujú rýchlejší spôsob zaznamenávania údajov DNAUkazuje sľub v oblasti záznamu neurónov, ukladania digitálnych dát.

Náš genetický kód je miliónkrát účinnejší pri ukladaní údajov ako existujúce riešenia, ktoré sú drahé a spotrebúvajú obrovské množstvo energie a priestoru. V skutočnosti sa môžeme zbaviť pevných diskov a uložiť všetky digitálne údaje na planéte do dvesto libier DNA.

Použitie DNA ako média na uchovávanie údajov s vysokou hustotou má potenciál viesť k prielomom v technológii biologického snímania a biozáznamu a digitálnom ukladaní novej generácie, ale vedci nedokázali vyriešiť neefektívnosť, ktorá by technológii umožnila rozšíriť sa.

Teraz vedci Severozápadná univerzita Je navrhnutá nová metóda na zaznamenávanie informácií do DNA, ktorej dokončenie trvá hodiny, nie hodiny alebo dni. Tím použil nový enzymatický systém na syntézu DNA, ktorá zaznamenáva rýchlo sa meniace environmentálne signály priamo do sekvencií DNA, čo je metóda, ktorú vedci používajú na štúdium a zaznamenávanie neurónov v mozgu, uviedol vedúci autor článku.

Výskum „Zaznamenávanie dočasných signálov s minútovým rozlíšením pomocou syntézy enzymatickej DNA“ bol zverejnený 30. septembra 2021. Časopis Americkej chemickej spoločnosti. Hlavný autor článku Keith EJ Tayo z Northwestern Engineering uviedol, že jeho laboratórium má záujem využiť prirodzené schopnosti DNA na vytvorenie nového riešenia pre ukladanie dát.

Hlavný autor príspevku, profesor inžinierstva severozápadného inžinierstva Keith EJ Tayo, uviedol, že jeho laboratórium má záujem využiť prirodzené schopnosti DNA na vytvorenie nového riešenia pre ukladanie dát.

„Príroda je dobrá v kopírovaní DNA, ale naozaj sme chceli, aby sme mohli písať DNA od nuly,“ povedal Tayo. „Spôsob, ako to urobiť ex vivo (mimo tela), zahŕňa pomalú chemickú syntézu. Náš spôsob písania informácií je oveľa lacnejší, pretože s enzýmom, ktorý syntetizuje DNA, je možné priamo manipulovať. Najmodernejšie vnútrobunkové záznamy sú dokonca pomalšie. „Pretože vyžadujú mechanické kroky expresie proteínu v reakcii na signály, na rozdiel od našich enzýmov, ktoré sú všetky exprimované predčasne a môžu ukladať informácie nepretržite.

Tayo, profesor chemického a biologického inžinierstva na McCormick School of Engineering, je členom Centra pre syntetickú biológiu a študuje mikróby a ich mechanizmy na rýchle vnímanie a reakciu na zmeny životného prostredia.

obchádzanie expresie proteínu

Existujúce metódy záznamu intracelulárnych molekulárnych a digitálnych údajov do DNA sa spoliehajú na viacdielne procesy, ktoré pridávajú nové údaje k existujúcim sekvenciám DNA. Aby vedci vytvorili presný záznam, musia stimulovať a potláčať expresiu špecifických bielkovín, ktorej dokončenie môže trvať viac ako 10 hodín.

Laboratórium Tayo predpokladalo, že by mohli použiť novú metódu, ktorú nazvali časovo citlivým neosvedčeným záznamom pomocou TDT pre miestne environmentálne podnety alebo korytnačky, na kopírovanie úplne novej DNA namiesto kopírovania jej templátu. Syntetizovať, urobiť rýchly záznam vo vysokom rozlíšení .

Keďže DNA polymeráza pokračuje v pridávaní báz, údaje sú do genetického kódu vkladané v rozsahu minút, pretože zmeny v prostredí ovplyvňujú štruktúru DNA, ktorá ich syntetizuje. Zmeny životného prostredia, ako napríklad zmeny koncentrácie kovov, zaznamenávajú polymerázy, ktoré pôsobia ako „pásky s molekulárnymi tickermi“ a naznačujú vedcom načasovanie zmien životného prostredia. Použitie biosenzorov na zaznamenávanie zmien v DNA predstavuje zásadný krok pri dokazovaní životaschopnosti korytnačiek na použitie vo vnútri buniek a vedcom by mohlo poskytnúť schopnosť používať zaznamenanú DNA na to, aby sa dozvedeli, ako neuróny navzájom komunikujú.

„Toto je veľmi vzrušujúci dôkaz koncepcie metód, ktoré nám jedného dňa môžu pomôcť študovať interakcie medzi miliónmi buniek,“ hovorí spoluautorka prvého článku a postdoktorandská výskumníčka Namita Bhan v laboratóriu Tayo. „Nemyslím si, že by existoval predtým zaznamenaný záznamový systém priamej modulácie enzýmov.“

Od mozgových buniek po znečistenú vodu

s väčším potenciálom škálovateľnosti a Presnosť„ŽELVY môžu poskytovať základ pre nástroje, ktoré rozvíjajú výskum mozgu. Podľa spoluautora a postgraduálneho študenta Aleca Callista v laboratóriu Tayo môžu vedci pomocou dnešnej technológie študovať len malý zlomok mozgových neurónov a aj napriek tomu existujú limity toho, čo vedia. Umiestnením záznamníkov do všetkých buniek v mozgu môžu vedci mapovať reakcie na podnety s rozlíšením jednej bunky v mnohých (miliónoch) neurónoch.

„Ak sa pozriete na to, ako súčasná technológia postupuje v čase, pred desaťročiami by sme mohli zaznamenať celý mozog švábov súčasne s existujúcimi technikami – nehovoriac o miliardách neurónov v ľudskom mozgu,“ povedal Callisto. „Takže to je niečo, čo by sme naozaj chceli urýchliť.“

Mimo tela možno systémy Turtle použiť aj na rôzne riešenia na riešenie prudkého nárastu požiadaviek na ukladanie údajov (až 175 zettabajtov do roku 2025).

To je obzvlášť dobré pre dlhodobé archívne dátové aplikácie, ako je ukladanie bezpečnostných záberov uzavretého okruhu, ktoré tím označuje ako údaje, ktoré „napíšete raz a nikdy ich neprečítate“, ale v prípade udalosti. Musia byť prístupné. Vďaka technológii vyvinutej inžiniermi môžu byť pevné disky a diskové jednotky, ktoré uchovávajú roky milovaných spomienok kamier, nahradené kúskami DNA.

Mimo skladovania je možné funkciu „ticker tape“ použiť ako biosenzor na monitorovanie kontaminantov životného prostredia, ako sú koncentrácie ťažkých kovov v pitnej vode.

Zatiaľ čo sa laboratórium zameriava na prekonanie dôkazu konceptu v digitálnom aj mobilnom nahrávaní, tím dúfa, že sa o tento koncept bude zaujímať viac inžinierov a budú ho môcť použiť na zaznamenávanie životne dôležitých funkcií svojho výskumu.

„Stále budujeme genómovú infraštruktúru a bunkové technológie, ktoré potrebujeme na robustné intracelulárne nahrávanie,“ povedal Tayo. „Toto je krok k dosiahnutiu nášho dlhodobého cieľa.“

Odkaz: „Zaznamenávanie dočasných signálov s minútovým rozlíšením pomocou syntézy enzymatickej DNA pomocou syntézy enzymatickej DNA“ od autorov Namita Bhan, Alec Callisto, Jonathan Strutz, Joshua Glaser, Reza Kalhor, Edward S. Boyden, George Church, Konrad Kording a Keith EJ Tayo 2021, Časopis Americkej chemickej spoločnosti.
DOI: 10.1021/jacs.1c07331

Táto práca bola financovaná z dvoch grantov Národného inštitútu zdravia (R01MH103910; a UF1NS107697) a grantu na školenie NIH (T32GM008449) prostredníctvom programu odbornej prípravy o biotechnológiách Northwestern University. Výskum bol podporený príspevkami z výpočtových zdrojov a personálom poskytnutým pre zariadenie High-Performance Computing Quest na Severozápadnej univerzite, ktoré spoločne podporujú Provostský úrad pre výskum, Úrad pre výskum a Informačné technológie pre severozápadnú univerzitu. Všetky sekvenovania ďalšej generácie boli vykonávané pomocou základného zariadenia na sekvenovanie ďalšej generácie na University of Illinois v Chicagu. Sekvenovanie Sangera podporilo Core Facility Northwestern University NUSeq. Zobrazovanie gélu bolo podporené Biofyzikálnym zariadením Northwestern University Keck a Grantom na podporu centra pre rakovinu (NCI CA060553). Azure Sapphire Imager zariadenia Keck Biophysics Facility bol financovaný z grantu NIH (1S10OD026963-01). Purifikácia proteínov bola podporená jadrom produkcie rekombinantných proteínov Northwestern University.