Unsere DNA ist die kleinste Festplatte der Welt geworden

Unser genetischer Code speichert Daten millionenfach effizienter als aktuelle Lösungen, ist teuer und verbraucht viel Energie und Platz. Tatsächlich könnten wir auf Festplatten verzichten und alle digitalen Daten auf dem Planeten in wenigen hundert Pfund DNA speichern.

Die Verwendung von DNA als hochdichtes Datenspeichermedium birgt das Potenzial für Durchbrüche in den Bereichen Biosensorik, Bioaufzeichnung und digitale Speicherung der nächsten Generation, aber die Forscher waren nicht in der Lage, Mängel zu überwinden, die eine Erweiterung der Technologie ermöglichen würden.

Jetzt schlagen Forscher der Northwestern University eine neue Methode zur Aufzeichnung von DNA-Informationen vor, die Minuten statt Stunden oder Tage in Anspruch nimmt. Das Team verwendete ein neues DNA-Synthese-Enzymsystem, das sich schnell ändernde Umweltsignale direkt in die DNA-Sequenz aufzeichnet, eine Methode, die laut dem leitenden Autor des Papiers die Art und Weise verändern könnte, wie Wissenschaftler Neuronen im Gehirn untersuchen und aufzeichnen.

Die Forschungsarbeit mit dem Titel „Aufzeichnung von Zeitsignalen mit genauer Genauigkeit mit enzymatischer DNA-Synthese“ wurde am Donnerstag (30. September) in . veröffentlicht Zeitschrift der American Chemical Society.

Der leitende Autor des Papiers, der nordwestliche Ingenieurprofessor Keith EJ Teo, sagte, sein Labor sei daran interessiert, die natürlichen Fähigkeiten der DNA zu nutzen, um eine neue Datenspeicherlösung zu finden.

„Die Natur ist gut darin, DNA zu kopieren, aber wir wollten wirklich in der Lage sein, DNA von Grund auf neu zu schreiben“, sagte Teo. „Der Weg, dies außerhalb des Körpers (außerhalb des Körpers) zu tun, beinhaltet eine langsame chemische Synthese. Unsere Methode ist viel billiger, um Informationen zu schreiben, weil das Enzym, das die DNA produziert, direkt manipuliert werden kann. Moderne intrazelluläre Aufzeichnungen sind noch langsamer, weil sie die mechanische Schritte der Proteinexpression als Reaktion auf Signale, im Gegensatz zu unseren Enzymen, die alle früh exprimiert werden und Informationen ständig speichern können.“

Tyo, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der McCormick School of Engineering, ist Mitglied des Center for Synthetic Biology und untersucht Mikroben und ihre Mechanismen zur schnellen Wahrnehmung und Reaktion auf Umweltveränderungen.

Umgehung der Proteinexpression

Gegenwärtige Verfahren zur Aufzeichnung intrazellulärer molekularer und digitaler Daten auf DNA beruhen auf mehrteiligen Prozessen, die bestehenden DNA-Sequenzen neue Daten hinzufügen. Um eine genaue Aufzeichnung zu erstellen, müssen Forscher die Expression bestimmter Proteine ​​stimulieren und unterdrücken, was mehr als 10 Stunden dauern kann.

Tyos Labor stellte die Hypothese auf, dass sie eine neue Methode namens Time-sensitive Unstudied Recording Using Tdt Local Environmental Signals (TURTLES) verwenden könnten, um völlig neue DNA zu synthetisieren, anstatt eine Vorlage daraus zu kopieren, was zu einer schnelleren und hochauflösenderen Aufzeichnung führt.

Während die DNA-Polymerase weiterhin Basen hinzufügt, werden die Daten in genetischer Code Im Minutenbereich, da Veränderungen in der Umgebung die Zusammensetzung der von ihr hergestellten DNA beeinflussen. Umweltveränderungen, wie z. B. Änderungen der Konzentration von Metallen, werden von der Polymerase aufgezeichnet, die als „molekulares Maßband“ fungiert und den Wissenschaftlern anzeigt, wann die Umweltveränderung aufgetreten ist. Die Verwendung von Biosensoren zur Aufzeichnung von DNA-Veränderungen ist ein wichtiger Schritt, um die Machbarkeit von TURTLES für den intrazellulären Einsatz zu demonstrieren, und könnte Forschern die Möglichkeit geben, die aufgezeichnete DNA zu verwenden, um zu lernen, wie Neuronen miteinander kommunizieren.

„Dies ist ein wirklich spannender Machbarkeitsnachweis für Methoden, die es uns eines Tages ermöglichen könnten, Interaktionen zwischen Millionen von Zellen gleichzeitig zu untersuchen“, sagte Namita Bhan, Co-Erstautorin und Postdoktorandin in Tyos Labor. „Ich glaube nicht, dass es ein direktes Bewertungssystem für Enzymmodifikationen gibt, über das zuvor berichtet wurde.“

Von Gehirnzellen zu verschmutztem Wasser

Mit erhöhter Skalierbarkeit und Präzision könnten TURTLES die Grundlage für Werkzeuge bilden, die die Hirnforschung voranbringen. Laut Alec Callisto, der auch Co-Erstautor und Doktorand in Tyos Labor ist, können Forscher mit der heutigen Technologie nur einen kleinen Teil der Neuronen im Gehirn untersuchen, und selbst dann gibt es Grenzen für das, was sie wissen. wieder tun. Durch Platzieren von Recordern in jedem Zellen Im Gehirn können Wissenschaftler Reaktionen auf Reize mit Einzelzell-Präzision über viele (Millionen) Neuronen hinweg bestimmen.

„Wenn man sich ansieht, wie sich die aktuelle Technologie im Laufe der Zeit entwickelt hat, könnte es Jahrzehnte dauern, bis wir überhaupt ein ganzes Schabengehirn gleichzeitig mit aktuellen Technologien erfassen können – ganz zu schweigen von den zig Milliarden Neuronen im menschlichen Gehirn“, sagte Callisto. „Also das ist etwas, was wir wirklich gerne beschleunigen.“

Außerhalb des Körpers kann TURTLES auch für eine Vielzahl von Lösungen verwendet werden, um dem exponentiellen Wachstum des Datenspeicherbedarfs (bis zu 175 Zettabyte bis 2025) gerecht zu werden.

Es eignet sich besonders gut für die Langzeitarchivierung von Datenanwendungen wie das Speichern von Closed-Circuit-Sicherheits-Schnappschüssen, die das Team als „Sie schreiben einmal und nie lesen“ Daten bezeichnet, auf die Sie jedoch im Falle eines Unfalls zugreifen müssen. Dank einer von Ingenieuren entwickelten Technologie lassen sich auch Festplatten und Laufwerke mit jahrelang liebgewonnenen Kamera-Erinnerungen durch DNA-Stücke ersetzen.

Außen LagerungDie Funktion „Tape Bar“ kann als Biosensor zur Überwachung von Umweltschadstoffen wie der Konzentration von Schwermetallen im Trinkwasser eingesetzt werden.

Während sich das Labor darauf konzentriert, sowohl bei der digitalen als auch bei der Mobilfunkaufzeichnung über den Machbarkeitsnachweis hinauszugehen, hofft das Team, dass sich mehr Ingenieure für das Konzept interessieren und es verwenden können, um für ihre Forschung wichtige Signale aufzuzeichnen.

„Wir bauen noch immer die genetische Infrastruktur und die zellulären Technologien auf, die wir für eine robuste intrazelluläre Aufzeichnung benötigen“, sagte Teo. „Dies ist ein Schritt auf dem Weg zu unserem langfristigen Ziel.“