I ricercatori propongono un modo più rapido per registrare i dati per DNA, promettente nel campo dell’archiviazione di dati digitali e della registrazione neuronale.

Il nostro codice genetico è milioni di volte più efficiente nell’archiviazione dei dati rispetto alle soluzioni attuali, è costoso e consuma enormi quantità di energia e spazio. In effetti, potremmo eliminare i dischi rigidi e archiviare tutti i dati digitali del pianeta entro poche centinaia di libbre di DNA.

L’utilizzo del DNA come supporto di archiviazione dati ad alta densità offre il potenziale per innovazioni nel biorilevamento, nella bioregistrazione e nell’archiviazione digitale di nuova generazione, ma i ricercatori non sono stati in grado di superare le carenze che consentirebbero l’espansione della tecnologia.

Ora, i ricercatori di Northwestern University Proporre un nuovo metodo per registrare le informazioni sul DNA che richiede minuti, anziché ore o giorni, per essere completato. Il team ha utilizzato un nuovo sistema enzimatico di sintesi del DNA che registra i segnali ambientali in rapida evoluzione direttamente nella sequenza del DNA, un metodo che, secondo l’autore senior dell’articolo, potrebbe cambiare il modo in cui gli scienziati studiano e registrano i neuroni all’interno del cervello.

La ricerca, “Registrazione dei segnali temporali con accuratezza accurata utilizzando la sintesi enzimatica del DNA”, è stata pubblicata il 30 settembre 2021, in Giornale della Società Chimica Americana. L’autore senior dell’articolo, Keith EJ Teo della Northwestern Engineering University, ha affermato che il suo laboratorio era interessato a sfruttare le capacità naturali del DNA per trovare una nuova soluzione di archiviazione dei dati.

L’autore senior del documento, il professore di ingegneria della Northwestern Keith EJ Teo, ha affermato che il suo laboratorio era interessato a sfruttare le capacità naturali del DNA per trovare una nuova soluzione di archiviazione dei dati.

“La natura è brava a copiare il DNA, ma volevamo davvero essere in grado di scrivere il DNA da zero”, ha detto Teo. “Il modo in vivo (fuori dal corpo) per farlo comporta una lenta sintesi chimica. Il nostro metodo è molto più economico per scrivere informazioni perché l’enzima che produce il DNA può essere elaborato direttamente. Le moderne registrazioni intracellulari sono più lente perché richiedono i passaggi meccanici delle proteine espressione in risposta ai segnali, a differenza degli enzimi che sono tutti espressi precocemente e possono immagazzinare informazioni continuamente.

Tyo, professore di ingegneria chimica e biologica presso la McCormick School of Engineering, è membro del Center for Synthetic Biology e studia i microbi e i loro meccanismi per rilevare e rispondere rapidamente ai cambiamenti ambientali.

Bypassare l’espressione delle proteine

Gli attuali metodi di registrazione dei dati molecolari e digitali intracellulari sul DNA si basano su processi multiparte che aggiungono nuovi dati alle sequenze di DNA esistenti. Per produrre una registrazione accurata, i ricercatori devono stimolare e sopprimere l’espressione di alcune proteine, che possono richiedere più di 10 ore per essere completate.

Il laboratorio di Tyo ha ipotizzato di poter utilizzare un nuovo metodo chiamato registrazione non studiata sensibile al tempo utilizzando i segnali ambientali locali Tdt, o TARTARUGHE, per sintetizzare DNA completamente nuovo piuttosto che copiare un modello da esso, con conseguente registrazione più veloce e ad alta risoluzione.

Poiché la DNA polimerasi continua ad aggiungere basi, i dati vengono registrati nel codice genetico su una scala di minuti poiché i cambiamenti nell’ambiente influenzano la composizione del DNA che produce. I cambiamenti ambientali, come i cambiamenti nella concentrazione dei metalli, sono registrati dalla polimerasi, che agisce come una “banda molecolare” e indica agli scienziati quando si è verificato il cambiamento ambientale. L’utilizzo di biosensori per registrare i cambiamenti nel DNA è un passo fondamentale per dimostrare la fattibilità delle tartarughe per uso intracellulare e potrebbe dare ai ricercatori la possibilità di utilizzare il DNA registrato per apprendere come i neuroni comunicano tra loro.

“Questa è una prova di concetto davvero entusiasmante per i metodi che un giorno potrebbero permetterci di studiare le interazioni tra milioni di cellule contemporaneamente”, ha affermato Namita Bhan, co-prima autrice e ricercatrice post-dottorato nel laboratorio di Tyo. “Non penso che ci sia alcun sistema di punteggio diretto per la modifica enzimatica che sia stato precedentemente riportato”.

Dalle cellule cerebrali all’acqua inquinata

Con più possibilità di espansione e SaluteTURTLES potrebbe fornire la base per gli strumenti che fanno avanzare la ricerca sul cervello. Secondo Alec Callisto, che è anche un co-primo autore e uno studente laureato nel laboratorio di Tyo, i ricercatori possono studiare solo una piccola porzione di neuroni nel cervello usando la tecnologia odierna, e anche allora, ci sono limiti a ciò che sanno di essere. rifare. Posizionando i registratori all’interno di tutte le cellule del cervello, gli scienziati possono mappare le risposte agli stimoli con la precisione di una singola cellula su molti (milioni) di neuroni.

“Se si guarda a come la tecnologia attuale si è evoluta nel tempo, potrebbero volerci decenni prima che possiamo anche registrare un intero cervello di scarafaggio contemporaneamente alle tecnologie attuali, per non parlare delle decine di miliardi di neuroni nel cervello umano”, ha detto Callisto. “Quindi questo è qualcosa che ci piace davvero accelerare”.

Fuori dal corpo, TURTLES può essere utilizzato anche per una varietà di soluzioni per affrontare la crescita esponenziale delle esigenze di archiviazione dei dati (fino a 175 zettabyte entro il 2025).

È particolarmente utile per l’archiviazione a lungo termine di applicazioni di dati come la memorizzazione di istantanee di sicurezza a circuito chiuso, a cui il team fa riferimento come dati “si scrive una volta e non si legge mai”, ma a cui è necessario accedere in caso di incidente. Grazie alla tecnologia sviluppata dagli ingegneri, anche i dischi rigidi e le unità contenenti anni di preziose memorie della fotocamera possono essere sostituiti con pezzi di DNA.

Al di fuori dello stoccaggio, la funzione “tape bar” può essere utilizzata come biosensore per monitorare gli inquinanti ambientali, come la concentrazione di metalli pesanti nell’acqua potabile.

Mentre il laboratorio si concentra sull’andare oltre il proof-of-concept nella registrazione sia digitale che cellulare, il team spera che più ingegneri saranno interessati al concetto e saranno in grado di usarlo per registrare segnali importanti per la loro ricerca.

“Stiamo ancora costruendo l’infrastruttura genetica e le tecnologie cellulari di cui abbiamo bisogno per una solida registrazione intracellulare”, ha detto Teo. “Questo è un passo verso il nostro obiettivo a lungo termine”.

Riferimento: “Precise Time Signal Recording Using Enzymatic DNA Synthesis” di Namita Bhan, Alec Callisto, Jonathan Strutz, Joshua Glaser, Reza Kalhor, Edward S Boyden, George Church, Konrad Cording e Keith Ego Teo, 30 settembre 2021, Giornale della Società Chimica Americana.
DOI: 10.1021/jacs.1c07331

Questo lavoro è stato finanziato da due sovvenzioni NIH (R01MH103910; UF1NS107697) e da una borsa di studio NIH (T32GM008449) attraverso il programma di formazione sulla biotecnologia della Northwestern University. La ricerca è stata supportata in parte dalle risorse computazionali e dai contributi dei dipendenti forniti alla Quest High Performance Computing Facility della Northwestern University, che è supportata congiuntamente dall’Ufficio del Cancelliere e dall’Ufficio per la ricerca e la tecnologia dell’informazione della Northwestern University. Tutto il sequenziamento di nuova generazione è stato eseguito con l’aiuto del Core Next-Generation Sequencing Facility dell’Università dell’Illinois a Chicago. Il sequenziamento di Sanger è stato supportato dalla NUSEq Core Facility della Northwestern University. L’imaging su gel è stato supportato dalla Northwestern University, dalla Keck Biophysics Facility e dal Cancer Center Support Grant (NCI CA060553). L’Azure Sapphire Imager della Keck Biophysics Facility è stato finanziato da una sovvenzione del National Institutes of Health (1S10OD026963-01). La purificazione delle proteine ​​è stata supportata dal Centro di produzione di proteine ​​ricombinanti della Northwestern University.