Naše DNA se stala nejmenším pevným diskem na světě

Vědci navrhují rychlejší způsob záznamu dat DNA, slibné v oblasti digitálního ukládání dat a záznamu neuronů.

Náš genetický kód je při ukládání dat milionkrát účinnější než současná řešení, drahý a spotřebovává obrovské množství energie a prostoru. Ve skutečnosti bychom se mohli zbavit pevných disků a uložit všechna digitální data na planetě do několika set liber DNA.

Použití DNA jako média pro ukládání dat s vysokou hustotou má potenciál pro průlomy v oblasti biosenzoru, biozáznamu a digitálního úložiště nové generace, ale vědcům se nepodařilo překonat nedostatky, které by umožnily rozšíření technologie.

Nyní vědci z Severozápadní univerzita Navrhněte nový způsob záznamu informací o DNA, jehož vyplnění trvá spíše minuty než hodiny nebo dny. Tým použil nový enzymový systém syntézy DNA, který zaznamenává rychle se měnící signály prostředí přímo do sekvence DNA. Metoda, kterou hlavní autor článku uvedl, by mohla změnit způsob, jakým vědci studují a zaznamenávají neurony v mozku.

Výzkum „Záznam časových signálů s přesnou přesností pomocí syntézy enzymatické DNA“ byl zveřejněn 30. září 2021 v Journal of the American Chemical Society. Hlavní autor článku Keith EJ Teo z Northwestern Engineering University uvedl, že jeho laboratoř má zájem využít přirozené schopnosti DNA k nalezení nového řešení pro ukládání dat.

Hlavní autor článku, profesor severozápadního inženýrství Keith EJ Teo, uvedl, že jeho laboratoř má zájem využít přirozené schopnosti DNA k nalezení nového řešení pro ukládání dat.

„Příroda umí kopírovat DNA, ale opravdu jsme chtěli být schopni psát DNA od nuly,“ řekl Teo. „Způsob in vivo (mimo tělo) zahrnuje pomalou chemickou syntézu. Naše metoda je mnohem levnější pro zápis informací, protože enzym, který vytváří DNA, lze zpracovat přímo. Moderní intracelulární záznamy jsou pomalejší, protože vyžadují mechanické kroky bílkovin výraz v reakci na signály, na rozdíl od enzymů, které jsou všechny vyjádřeny brzy a mohou ukládat informace nepřetržitě. “

Tyo, profesor chemického a biologického inženýrství na McCormick School of Engineering, je členem Centra pro syntetickou biologii, kde studuje mikroby a jejich mechanismy pro rychlé snímání a reakci na změny prostředí.

Vynechání exprese proteinů

Současné metody záznamu intracelulárních molekulárních a digitálních dat na DNA spoléhají na vícedílné procesy, které přidávají nová data do stávajících sekvencí DNA. Aby vědci vytvořili přesný záznam, musí stimulovat a potlačovat expresi určitých proteinů, jejíž dokončení může trvat déle než 10 hodin.

Tyova laboratoř vyslovila hypotézu, že by mohli použít novou metodu, kterou nazvali časově citlivé nestudované nahrávání pomocí místních signálů Tdt, neboli TURTLES, k syntéze zcela nové DNA namísto kopírování šablony z ní, což povede k rychlejšímu záznamu s vyšším rozlišením.

Jak DNA polymeráza pokračuje v přidávání bází, jsou data zaznamenávána do genetického kódu v řádu minut, protože změny prostředí ovlivňují složení DNA, kterou vytváří. Změny v životním prostředí, jako jsou změny v koncentraci kovů, jsou zaznamenávány polymerázou, která funguje jako „šířka molekulárního pásma“ a vědcům ukazuje, kdy ke změně prostředí došlo. Použití biosenzorů k záznamu změn v DNA je klíčovým krokem k prokázání proveditelnosti TURTLES pro intracelulární použití a mohlo by to dát vědcům možnost použít zaznamenanou DNA k tomu, aby se naučili, jak neurony navzájem komunikují.

„Toto je opravdu vzrušující důkaz koncepce metod, které by nám jednoho dne mohly umožnit studovat interakce mezi miliony buněk současně,“ řekla Namita Bhan, spoluautorka a postdoktorandka v laboratoři Tyo. „Nemyslím si, že by existoval nějaký přímý skórovací systém pro modifikaci enzymů, který byl dříve popsán.“

Od mozkových buněk po znečištěnou vodu

S více možnostmi rozšíření a ZdravíŽELVY by mohly poskytnout základ pro nástroje, které urychlují výzkum mozku. Podle Aleca Callisto, který je také spoluautorem a postgraduálním studentem v Tyově laboratoři, mohou vědci pomocí dnešní technologie studovat pouze malou část neuronů v mozku, a dokonce i tehdy existují hranice toho, co vědí. dělám. Umístěním záznamníků do všech buněk v mozku mohou vědci mapovat reakce na podněty s přesností jedné buňky na mnoho (milionů) neuronů.

„Když se podíváte na to, jak se současná technologie vyvíjela v průběhu času, mohlo by trvat desítky let, než bychom mohli dokonce zaznamenat celý mozek švábů současně se současnými technologiemi – nemluvě o desítkách miliard neuronů v lidských mozcích,“ řekl Callisto. „To je tedy něco, co opravdu rádi urychlíme.“

Mimo tělo lze TURTLES použít také pro řadu řešení k řešení exponenciálního růstu potřeb v oblasti ukládání dat (až 175 zettabytů do roku 2025).

Je zvláště vhodný pro dlouhodobou archivaci datových aplikací, jako je ukládání snímků zabezpečení uzavřeného okruhu, které tým označuje jako data „jednou napíšete a nikdy nečtete“, ale ke kterým potřebujete mít přístup v případě nehody. Díky technologii vyvinuté inženýry mohou být pevné disky a disky obsahující roky ceněné paměti fotoaparátu nahrazeny také kousky DNA.

Mimo skladování lze funkci „tape bar“ použít jako biosenzor ke sledování znečišťujících látek v životním prostředí, jako je koncentrace těžkých kovů v pitné vodě.

Zatímco se laboratoř zaměřuje na překonání kontroly konceptu v digitálním i mobilním záznamu, tým doufá, že se o tento koncept bude zajímat více techniků a budou schopni jej použít k záznamu signálů důležitých pro jejich výzkum.

„Stále budujeme genetickou infrastrukturu a buněčné technologie, které potřebujeme pro robustní intracelulární záznam,“ řekl Teo. „Toto je krok na cestě k našemu dlouhodobému cíli.“

Odkaz: „Přesný záznam časového signálu pomocí syntézy enzymatické DNA“ Namita Bhan, Alec Callisto, Jonathan Strutz, Joshua Glaser, Reza Kalhor, Edward S Boyden, George Church, Konrad Cording a Keith Ego Teo, 30. září 2021, Journal of the American Chemical Society.
DOI: 10.1021 / jacs.1c07331

Tato práce byla financována ze dvou grantů NIH (R01MH103910; UF1NS107697) a NIH Training Grant (T32GM008449) prostřednictvím školicího programu biotechnologie Northwestern University. Výzkum byl částečně podpořen výpočetními zdroji a příspěvky zaměstnanců do vysoce výkonného výpočetního zařízení Quest na Northwestern University, které je společně podporováno kanceláří kancléře a Úřadem pro výzkum a informační technologie Northwestern University. Veškeré sekvenování nové generace bylo provedeno s pomocí základního sekvenačního zařízení nové generace University of Illinois na University of Illinois v Chicagu. Sekvence Sanger byla podporována Core Facility NUSeq Northwestern University. Gelové zobrazování bylo podpořeno Grantem na podporu Northwestern University, Keck Biophysics Facility a Cancer Center (NCI CA060553). Zařízení Azure Sapphire Imager zařízení Keck Biofyzika bylo financováno z grantu National Institutes of Health (1S10OD026963-01). Purifikaci proteinů podpořilo Centrum produkce rekombinantních proteinů Northwestern University.