ADN-ul nostru devine cel mai mic hard disk din lume

Cercetătorii propun o metodă mai rapidă de înregistrare a datelor către ADN, promițătoare în domeniile stocării digitale a datelor, a înregistrării neuronale.

Codul nostru genetic este de milioane de ori mai eficient în stocarea datelor decât soluțiile existente, care sunt costisitoare și utilizează cantități imense de energie și spațiu. De fapt, am putea scăpa de hard disk-uri și ar putea stoca toate datele digitale de pe planetă în câteva sute de kilograme de ADN.

Utilizarea ADN-ului ca mediu pentru stocarea datelor de înaltă densitate oferă potențialul de a face progrese în tehnologia de detectare și bio-înregistrare și în stocarea digitală de generația următoare, dar cercetătorii nu au reușit să depășească ineficiențele care ar permite tehnologiei să evolueze .

„Natura se pricepe la copierea ADN-ului, dar ne-am dorit cu adevărat să putem scrie ADN de la zero”. – Keith Tyo, profesor asociat de inginerie chimică și biologică

Acum, cercetătorii din Universitatea Northwestern propuneți o nouă metodă de înregistrare a informațiilor în ADN care durează minute, mai degrabă decât ore sau zile. Echipa a folosit un nou sistem enzimatic pentru a sintetiza ADN-ul care înregistrează schimbarea semnalelor de mediu direct în secvențele ADN, o metodă despre care autorul principal al lucrării spune că ar putea schimba modul în care oamenii de știință studiază și înregistrează neuronii din creier.

Cercetarea „Înregistrarea semnalelor de timp cu rezoluție de minute utilizând sinteza ADN enzimatic” a fost publicată la 30 septembrie 2021 în Jurnalul Societății Chimice Americane. Autorul principal al articolului, Keith EJ Tyo de la Northwestern Engineering, a declarat că laboratorul său a dorit să profite de capacitățile naturale ale ADN-ului pentru a crea o nouă soluție de stocare a datelor.

Autorul principal al articolului, profesorul Keith EJ Tyo din ingineria nord-vestică, a declarat că laboratorul său a dorit să profite de capacitățile naturale ale ADN-ului pentru a crea o nouă soluție de stocare a datelor.

„Natura se pricepe la copierea ADN-ului, dar ne-am dorit cu adevărat să putem scrie ADN de la zero”, a spus Tyo. „Modul ex vivo (în afara corpului) de a face acest lucru implică o sinteză chimică lentă. Metoda noastră este mult mai ieftină pentru a scrie informații, deoarece enzima care sintetizează ADN-ul poate fi manipulată direct. Înregistrările intracelulare de ultimă generație sunt și mai lente, deoarece necesită etapele mecanice ale expresiei proteinelor ca răspuns la semnale, spre deosebire de enzimele noastre, care sunt toate exprimate în avans și pot stoca informații continuu.

READ  O nouă teorie spune că explozia de la Tunguska a fost un asteroid de 200 de metri care a „ratat” impactul Pământ-Pământ.

Tyo, profesor de inginerie chimică și biologică la Școala de Inginerie McCormick, este membru al Centrului de Biologie Sintetică și studiază microbii și mecanismele acestora pentru a detecta și a răspunde rapid la schimbările de mediu.

Ocolirea expresiei proteinelor

Metodele existente pentru înregistrarea datelor moleculare și numerice intracelulare pe ADN se bazează pe procese cu mai multe părți care adaugă date noi secvențelor de ADN existente. Pentru a produce o înregistrare precisă, cercetătorii trebuie să stimuleze și să suprime expresia proteinelor specifice, care pot dura mai mult de 10 ore.

Laboratorul Tyo a speculat că ar putea folosi o nouă metodă pe care o numeau înregistrare temporizată sensibilă la timp folosind Tdt pentru semnale locale de mediu, sau TURTLES, pentru a sintetiza ADN complet nou în locul acestuia. Copiați un șablon, care permite înregistrarea cu rezoluție mai rapidă și mai mare.

Pe măsură ce ADN polimeraza continuă să adauge baze, datele sunt înregistrate în codul genetic pe o scară de câteva minute, deoarece schimbările din mediu afectează compoziția ADN-ului pe care „îl sintetizează. Modificările de mediu, cum ar fi modificările concentrației de metale, sunt înregistrate de polimerază, acționând ca o „bandă magnetică moleculară” și comunicând oamenilor de știință când are loc o schimbare de mediu. Folosirea biosenzorilor pentru a înregistra modificările ADN-ului reprezintă un pas major în dovedirea viabilității TESTURILOR pentru utilizarea în interiorul celulelor și ar putea oferi cercetătorilor posibilitatea de a utiliza ADN-ul înregistrat pentru a afla mai multe despre modul în care neuronii comunică între ei.

„Aceasta este o dovadă cu adevărat captivantă a conceptului pentru metode care ar putea într-o zi să ne permită să studiem interacțiunile dintre milioane de celule simultan”, a spus Namita Bhan, co-autor și cercetător postdoctoral la laboratorul Tyo. „Nu cred că există vreun sistem direct de înregistrare a modulației enzimatice raportat anterior”.

READ  PLANETA VENUS: ANUNȚUL INCREDIBIL PE PĂMÂNT

Celulele cerebrale din apa poluată

Cu mai mult potențial de scalabilitate și precizie, TESTURILE ar putea oferi baza instrumentelor care catapultează cercetarea creierului. Potrivit lui Alec Callisto, de asemenea co-prim autor și student absolvent al Laboratorului Tyo, cercetătorii pot studia doar o mică parte din neuronii creierului cu tehnologia actuală și chiar și atunci există limite în acest sens pe care știu să le facă. Plasând înregistratoare în toate celulele creierului, oamenii de știință ar putea să mapeze răspunsurile la stimuli cu rezoluție unicelulară pe mai mulți (milioane) neuroni.

„Dacă te uiți la modul în care evoluează tehnologia actuală în timp, ar putea trece decenii înainte să putem înregistra chiar și un întreg creier gândac simultan cu tehnologiile existente – ca să nu mai vorbim de zecile de miliarde de neuroni din creierul uman”, a spus Callisto. „Așadar, acest lucru ne-ar plăcea cu adevărat să accelerăm”.

În afara corpului, sistemul TURTLES ar putea fi, de asemenea, utilizat pentru o varietate de soluții pentru a răspunde creșterii explozive a nevoilor de stocare a datelor (până la 175 zettabytes până în 2025).

Acest lucru este util mai ales pentru aplicațiile de date de arhivare pe termen lung, cum ar fi stocarea imaginilor de siguranță cu circuit închis, pe care echipa le numește date pe care le „scrieți o singură dată și nu le citiți niciodată”, dar pe care trebuie să le accesați în caz de incident. Datorită tehnologiei dezvoltate de ingineri, hard disk-urile și hard disk-urile care conțin ani de memorii ale camerei iubite ar putea fi, de asemenea, înlocuite cu bucăți de ADN.

READ  Dezechilibrul energetic al Pământului elimină aproape toate îndoielile cu privire la schimbările climatice provocate de om

În afară de stocare, funcția de bandă ticker ar putea fi utilizată ca biosenzor pentru a monitoriza contaminanții din mediu, cum ar fi concentrația de metale grele în apa potabilă.

Deoarece laboratorul se concentrează pe trecerea dincolo de dovada conceptului în înregistrarea digitală și celulară, echipa și-a exprimat speranța că mai mulți ingineri ar fi interesați de concept și ar putea să-l folosească pentru a înregistra semnale importante pentru cercetarea lor.

„Încă construim infrastructura genomică și tehnicile celulare de care avem nevoie pentru o înregistrare intracelulară robustă”, a spus Tyo. „Acesta este un pas pe drumul către atingerea obiectivului nostru pe termen lung. „

Referință: „Înregistrarea semnalelor temporale cu rezoluția minutelor folosind sinteza ADN enzimatic” de Namita Bhan, Alec Callisto, Jonathan Strutz, Joshua Glaser, Reza Kalhor, Edward S. Boyden, George Church, Konrad Kording și Keith EJ Tyo, 30 septembrie 2021, Jurnalul Societății Chimice Americane.
DOI: 10.1021 / jacs.1c07331

Această activitate a fost susținută de două subvenții de la Institutele Naționale de Sănătate (R01MH103910 și UF1NS107697) și o subvenție de formare NIH (T32GM008449) în cadrul programului de formare în biotehnologie de la Universitatea Northwestern. Cercetarea a fost finanțată parțial din resursele de calcul și contribuțiile personalului furnizate pentru facilitatea de calcul de înaltă performanță Quest de la Universitatea Northwestern, care este susținută în comun de Oficiul Provost, Oficiul de Cercetare și Tehnologie a informațiilor de la Universitatea Northwestern. Toate secvențierile următoarei generații au fost efectuate cu asistența Centrului de secvențiere a următoarei generații de la Universitatea Illinois din Chicago. Secvențierea Sanger a fost susținută de NUSeq Core Facility de la Universitatea Northwestern. Imagistica cu gel a fost susținută de Universitatea Northwestern Keck Biophysics Facility și de un Centrul pentru Cancer Grant Grant (NCI CA060553). Imaginea Azure Sapphire de la Keck Biophysics Facility a fost finanțată printr-un grant NIH (1S10OD026963-01). Purificarea proteinelor a fost susținută de Coreea de producție a proteinelor recombinate a Universității Northwestern.

Faci un comentariu sau dai un răspuns?

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *