Onze genetische code is miljoenen keren efficiënter in het opslaan van gegevens dan bestaande oplossingen, die kostbaar zijn en enorme hoeveelheden energie en ruimte verbruiken. In feite, we zouden harde schijven kunnen verwijderen en alle digitale gegevens op de planeet kunnen opslaan binnen een paar honderd pond DNA.

Het gebruik van DNA als een medium voor gegevensopslag met hoge dichtheid biedt het potentieel om doorbraken te smeden in biosensing- en bio-opnametechnologie en digitale opslag van de volgende generatie, maar onderzoekers zijn er niet in geslaagd om inefficiënties te overwinnen waardoor de technologie zou kunnen schalen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Northwestern University stellen een nieuwe methode voor om informatie in DNA vast te leggen die minuten duurt, in plaats van uren of dagen, vervolledigen. Het team gebruikte een nieuw enzymatisch systeem om DNA te synthetiseren dat snel veranderende omgevingssignalen direct in DNA-sequenties vastlegt. een methode die volgens de senior auteur van het artikel de manier zou kunnen veranderen waarop wetenschappers neuronen in de hersenen bestuderen en opnemen.

Het onderzoek, "Tijdelijke signalen opnemen met een resolutie van minuten met behulp van enzymatische DNA-synthese, " werd donderdag (30 september) gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

De senior auteur van de krant, Noordwest-ingenieursprofessor Keith E.J. Tjo, zei dat zijn laboratorium geïnteresseerd was in het benutten van de natuurlijke capaciteiten van DNA om een ​​nieuwe oplossing te creëren voor het opslaan van gegevens.

"De natuur is goed in het kopiëren van DNA, maar we wilden heel graag DNA vanaf het begin kunnen schrijven, " zei Tyo. "De ex vivo (buiten het lichaam) manier om dit te doen omvat een langzame, chemische synthese. Onze methode is veel goedkoper om informatie te schrijven omdat het enzym dat het DNA synthetiseert direct gemanipuleerd kan worden. State-of-the-art intracellulaire opnames zijn zelfs langzamer omdat ze de mechanische stappen van eiwitexpressie vereisen als reactie op signalen, in tegenstelling tot onze enzymen die allemaal van tevoren tot expressie worden gebracht en continu informatie kunnen opslaan."

Tjo, een professor in chemische en biologische technologie aan de McCormick School of Engineering, is lid van het Centrum voor Synthetische Biologie, en bestudeert microben en hun mechanismen om veranderingen in de omgeving waar te nemen en er snel op te reageren.

Eiwitexpressie omzeilen

Bestaande methoden om intracellulaire moleculaire en digitale gegevens in DNA vast te leggen, zijn afhankelijk van meerdelige processen die nieuwe gegevens toevoegen aan bestaande DNA-sequenties. Om een ​​nauwkeurige opname te maken, onderzoekers moeten expressie van specifieke eiwitten stimuleren en onderdrukken, die meer dan 10 uur in beslag kan nemen.

Het Tyo-lab veronderstelde dat ze een nieuwe methode konden gebruiken die ze Time-sensitive Untemplate Recording noemden met behulp van Tdt voor lokale omgevingssignalen, of SCHILDPADDEN, om volledig nieuw DNA te synthetiseren in plaats van er een sjabloon van te kopiëren, het maken van een snellere en hogere resolutie opname.

Terwijl het DNA-polymerase basen blijft toevoegen, gegevens worden op een schaal van minuten in de genetische code vastgelegd, omdat veranderingen in de omgeving van invloed zijn op de samenstelling van het DNA dat het synthetiseert. De veranderingen in het milieu, zoals veranderingen in de concentratie van metalen, worden geregistreerd door de polymerase, fungeert als een "moleculaire tickertape" en geeft wetenschappers de tijd aan van een verandering in het milieu. Het gebruik van biosensoren om veranderingen in DNA vast te leggen, is een belangrijke stap in het bewijzen van de levensvatbaarheid van TURTLES voor gebruik in cellen, en zou onderzoekers de mogelijkheid kunnen geven om opgenomen DNA te gebruiken om te leren hoe neuronen met elkaar communiceren.

"Dit is een echt opwindend proof-of-concept voor methoden waarmee we op een dag de interacties tussen miljoenen cellen tegelijk kunnen bestuderen, " zei Namita Bhan, co-eerste auteur en een postdoctoraal onderzoeker in het Tyo-lab. "Ik denk niet dat er een eerder gemeld opnamesysteem voor directe enzymmodulatie is."

Van hersencellen tot vervuild water

Met meer potentieel voor schaalbaarheid en nauwkeurigheid, TURTLES zou de basis kunnen bieden voor tools die hersenonderzoek vooruit helpen. Volgens Alec Callisto, ook een co-eerste auteur en afgestudeerde student in het Tyo-lab, onderzoekers kunnen slechts een klein deel van de neuronen van een brein bestuderen met de technologie van vandaag, en zelfs dan, er zijn grenzen aan wat ze weten dat ze doen. Door recorders in alle cellen in de hersenen te plaatsen, wetenschappers konden reacties op stimuli in kaart brengen met eencellige resolutie over vele (miljoen) neuronen.

"Als je kijkt naar hoe de huidige technologie in de loop van de tijd schaalt, het kan tientallen jaren duren voordat we zelfs maar een volledig kakkerlakkenbrein kunnen opnemen met bestaande technologieën - laat staan ​​de tientallen miljarden neuronen in menselijke hersenen, "Zei Callisto. "Dus dat is iets dat we heel graag willen versnellen."

Buiten het lichaam, het TURTLES-systeem kan ook worden gebruikt voor een verscheidenheid aan oplossingen om tegemoet te komen aan de explosieve groei in de behoefte aan gegevensopslag (tot 175 zettabyte in 2025).

Het is vooral goed voor toepassingen voor archivering op de lange termijn, zoals het opslaan van beveiligingsbeelden in gesloten circuits, waarnaar het team verwijst als gegevens die u "één keer schrijft en nooit leest, " maar moet toegankelijk zijn voor het geval er zich een incident voordoet. Met technologie die is ontwikkeld door ingenieurs, harde schijven en harde schijven die jarenlang geliefde cameraherinneringen bevatten, kunnen ook worden vervangen door stukjes DNA.

Buiten opslag, de "tickertape" -functie kan worden gebruikt als een biosensor om milieuverontreinigingen te controleren, zoals de concentratie van zware metalen in drinkwater.

Terwijl het lab zich richt op het verder gaan dan een proof of concept in zowel digitale als cellulaire opnames, het team sprak de hoop uit dat meer ingenieurs interesse zouden hebben in het concept en het zouden kunnen gebruiken om signalen vast te leggen die belangrijk zijn voor hun onderzoek.

"We bouwen nog steeds aan de genomische infrastructuur en cellulaire technieken die we nodig hebben voor robuuste intracellulaire opname, "Zei Tyo. "Dit is een stap op weg naar ons langetermijndoel."