Vores DNA er ved at blive verdens mindste harddisk

Vores genetiske kode er millioner af gange mere effektiv til at lagre data end eksisterende løsninger, som er dyre og bruger enorme mængder energi og plads. Faktisk, vi kunne slippe af med harddiske og gemme alle digitale data på planeten inden for et par hundrede pund DNA.

Brug af DNA som et datalagringsmedium med høj densitet rummer potentialet til at skabe gennembrud inden for biosensing og biooptagelsesteknologi og næste generations digital lagring, men forskere har ikke været i stand til at overvinde ineffektivitet, der ville tillade teknologien at skalere.

Nu, forskere ved Northwestern University foreslår en ny metode til registrering af information til DNA, der tager minutter, i stedet for timer eller dage, at færdiggøre. Holdet brugte et nyt enzymatisk system til at syntetisere DNA, der registrerer hurtigt skiftende miljøsignaler direkte i DNA-sekvenser, en metode, som avisens seniorforfatter sagde, kunne ændre den måde, videnskabsmænd studerer og registrerer neuroner inde i hjernen.

Forskningen, "Optagelse af tidsmæssige signaler med minutters opløsning ved hjælp af enzymatisk DNA-syntese, " blev offentliggjort torsdag (30. september) i Journal of the American Chemical Society .

Avisens seniorforfatter, Northwestern ingeniørprofessor Keith E.J. Tyo, sagde, at hans laboratorium var interesseret i at udnytte DNA's naturlige evner til at skabe en ny løsning til lagring af data.

"Naturen er god til at kopiere DNA, men vi ønskede virkelig at kunne skrive DNA fra bunden, Tyo sagde. "Ex vivo (uden for kroppen) måde at gøre dette på involverer en langsom, kemisk syntese. Vores metode er meget billigere at skrive information, fordi enzymet, der syntetiserer DNA'et, kan manipuleres direkte. Avancerede intracellulære optagelser er endnu langsommere, fordi de kræver de mekaniske trin af proteinekspression som reaktion på signaler, i modsætning til vores enzymer, som alle udtrykkes før tid og kontinuerligt kan lagre information."

Tyo, en professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved McCormick School of Engineering, er medlem af Center for Syntetisk Biologi, og studerer mikrober og deres mekanismer til at mærke miljøændringer og reagere hurtigt på dem.

Omgå proteinekspression

Eksisterende metoder til at registrere intracellulære molekylære og digitale data til DNA er afhængige af flerdelte processer, der tilføjer nye data til eksisterende DNA-sekvenser. For at producere en nøjagtig optagelse, forskere skal stimulere og undertrykke ekspression af specifikke proteiner, som kan tage over 10 timer at gennemføre.

Tyo-laboratoriet havde en hypotese om, at de kunne bruge en ny metode, som de kaldte Time-sensitive Untemplated Recording using Tdt for Local Environmental Signals, eller skildpadder, at syntetisere helt nyt DNA i stedet for at kopiere en skabelon af det, lave en hurtigere og højere opløsning optagelse.

Efterhånden som DNA-polymerasen fortsætter med at tilføje baser, data registreres i den genetiske kode på en skala af minutter, da ændringer i miljøet påvirker sammensætningen af ​​det DNA, det syntetiserer. Miljøændringer, såsom ændringer i koncentrationen af ​​metaller, registreres af polymerasen, fungerer som en "molekylær ticker-tape" og viser forskerne tidspunktet for en miljøændring. Brug af biosensorer til at registrere ændringer i DNA repræsenterer et vigtigt skridt i at bevise TURTLES' levedygtighed til brug i celler, og kunne give forskere mulighed for at bruge optaget DNA til at lære om, hvordan neuroner kommunikerer med hinanden.

"Dette er et virkelig spændende proof of concept for metoder, der en dag kunne lade os studere interaktionen mellem millioner af celler samtidigt, " sagde Namita Bhan, med-førsteforfatter og en postdoc-forsker i Tyo-laboratoriet. "Jeg tror ikke, der er noget tidligere rapporteret direkte enzymmodulationsregistreringssystem."

Fra hjerneceller til forurenet vand

Med mere potentiale for skalerbarhed og nøjagtighed, TURTLES kunne udgøre grundlaget for værktøjer, der kaster hjerneforskning fremad. Ifølge Alec Callisto, også en co-first forfatter og kandidatstuderende i Tyo lab, forskere kan kun studere en lille brøkdel af en hjernes neuroner med nutidens teknologi, og selv da, der er grænser for, hvad de ved, de gør. Ved at placere optagere inde i alle celler i hjernen, videnskabsmænd kunne kortlægge reaktioner på stimuli med enkeltcelleopløsning på tværs af mange (millioner) neuroner.

"Hvis du ser på, hvordan den nuværende teknologi skalerer over tid, der kan gå årtier, før vi overhovedet kan optage en hel kakerlakhjerne samtidig med eksisterende teknologier – endsige de titusinder af milliarder af neuroner i menneskets hjerner, " sagde Callisto. "Så det er noget, vi virkelig gerne vil accelerere."

Uden for kroppen, TURTLES-systemet kunne også bruges til en række forskellige løsninger til at imødekomme den eksplosive vækst i datalagringsbehov (op til 175 zettabyte i 2025).

Det er særligt godt til langsigtede arkiveringsdataapplikationer, såsom lagring af lukkede sikkerhedsoptagelser, som holdet omtaler som data, du "skriver én gang og læser aldrig, " men skal have adgang i tilfælde af en hændelse. Med teknologi udviklet af ingeniører, harddiske og diskdrev, der rummer mange års elskede kamerahukommelser, kunne også erstattes af stykker DNA.

Uden for opbevaring, funktionen "ticker tape" kan bruges som en biosensor til at overvåge miljøforurenende stoffer, som tungmetalkoncentrationen i drikkevand.

Mens laboratoriet fokuserer på at bevæge sig ud over et proof of concept inden for både digital og mobil optagelse, holdet udtrykte håb om, at flere ingeniører ville interessere sig for konceptet og være i stand til at bruge det til at registrere signaler, der er vigtige for deres forskning.

"Vi bygger stadig den genomiske infrastruktur og cellulære teknikker ud, vi har brug for til robust intracellulær optagelse, " sagde Tyo. "Dette er et skridt på vejen til at nå vores langsigtede mål."