Forscher schlagen einen schnelleren Weg zur Datenaufzeichnung vor DNA, vielversprechend in den Bereichen digitale Datenspeicherung und neuronale Aufzeichnung.
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.
„Die Natur ist gut darin, DNA zu kopieren, aber wir wollten unbedingt DNA von Grund auf neu schreiben können.“ – Keith Tew, Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen
Nun, Forscher von Nordwestliche Universität Schlagen Sie 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 Studie „Recording Time Signals with Accurate Accuracy Using Enzymatic DNA Synthesis“ wurde am 30. September 2021 in . veröffentlicht Zeitschrift der American Chemical Society. Der leitende Autor des Papiers, Keith EJ Teo von der Northwestern Engineering University, sagte, sein Labor sei daran interessiert, die natürlichen Fähigkeiten der DNA zu nutzen, um eine neue Datenspeicherlösung zu finden.
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 in vivo (außerhalb des Körpers) zu tun, beinhaltet eine langsame chemische Synthese. Unsere Methode ist viel billiger, um Informationen zu schreiben, weil das Enzym, das DNA produziert, direkt verarbeitet werden kann. Moderne intrazelluläre Aufzeichnungen sind langsamer, weil sie die mechanischen Schritte von Proteinen erfordern.“ Expression als Reaktion auf Signale, im Gegensatz zu Enzymen, die alle früh exprimiert werden und Informationen kontinuierlich 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 im genetischen Code im Minutenbereich aufgezeichnet, 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 „molekulare Bandbreite“ 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 mehr Erweiterungsmöglichkeiten und GesundheitTURTLES könnte die Grundlage für die Werkzeuge liefern, 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 die Platzierung von Rekordern in allen Zellen des Gehirns können Wissenschaftler Reaktionen auf Reize mit Einzelzell-Präzision über viele (Millionen) Neuronen hinweg abbilden.
„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. „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.
Außerhalb der Lagerung kann die Funktion „Bandriegel“ als Biosensor zur Überwachung von Umweltschadstoffen, wie beispielsweise der Schwermetallkonzentration 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.“
Referenz: „Precise Time Signal Recording Using Enzymatic DNA Synthesis“ Von Namita Bhan, Alec Callisto, Jonathan Strutz, Joshua Glaser, Reza Kalhor, Edward S. Boyden, George Church, Konrad Cording und Keith Ego Teo, 30. September 2021, Zeitschrift der American Chemical Society.
DOI: 10.1021 / jacs.1c07331
Diese Arbeit wurde durch zwei NIH-Stipendien (R01MH103910; UF1NS107697) und ein NIH-Trainingsstipendium (T32GM008449) durch das Northwestern University Biotechnology Training Program finanziert. Die Forschung wurde teilweise durch Rechenressourcen und Mitarbeiterbeiträge der Quest High Performance Computing Facility an der Northwestern University unterstützt, die gemeinsam vom Kanzleramt und dem Office of Research and Information Technology der Northwestern University unterstützt wird. Alle Sequenzierungen der nächsten Generation wurden mit Hilfe der Core Next-Generation Sequencing Facility der University of Illinois an der University of Illinois in Chicago durchgeführt. Die Sanger-Sequenzierung wurde von der NUSeq Core Facility der Northwestern University unterstützt. Die Gelbildgebung wurde von der Northwestern University, der Keck Biophysics Facility und dem Cancer Center Support Grant (NCI CA060553) unterstützt. Der Azure Sapphire Imager der Keck Biophysics Facility wurde durch einen Zuschuss der National Institutes of Health (1S10OD026963-01) finanziert. Die Proteinreinigung wurde vom Northwestern University Recombinant Protein Production Center unterstützt.
