Omdat de moderne wereld steeds meer data produceren, zijn onderzoekers bezig om nieuwe manieren te vinden om het allemaal op te slaan. DNA is veelbelovend als een uiterst compact en stabiel opslagmedium, en nu zouden we met een nieuwe benadering digitale gegevens rechtstreeks in het genoom van levende cellen kunnen schrijven.
Pogingen om de ingebouwde geheugentechnologie van de natuur een nieuwe bestemming te geven, zijn niet nieuw, maar in de afgelopen tien jaar heeft de aanpak hernieuwde belangstelling gekregen en is er grote vooruitgang geboekt. Dat wordt aangedreven door een explosie van gegevens die geen tekenen van vertraging vertoont. Bij 2025 , wordt geschat dat 463 exabyte per dag wereldwijd zullen worden gecreëerd.
Het opslaan van al deze gegevens zou snel onpraktisch kunnen worden met conventionele siliciumtechnologie, maar DNA zou het antwoord kunnen bevatten. Om te beginnen is de informatiedichtheid miljoenen keren beter dan bij conventionele harde schijven, met een enkele gram DNA die tot 215 miljoen gigabyte kan opslaan .
Het is ook zeer stabiel als het op de juiste manier wordt bewaard. Onderzoekers waren in 2017 in staat om het volledige genoom van een uitgestorven paard soort te extraheren die 700.000 jaar geleden had geleefd. Leren om gegevens op te slaan en te manipuleren in dezelfde taal als de natuur, zou ook de deur kunnen openen naar tal van nieuwe mogelijkheden in de biotechnologie.
De belangrijkste complicatie is het vinden van een manier om de digitale wereld van computers en data te koppelen aan de biochemische wereld van de genetica. Momenteel is dit afhankelijk van het synthetiseren van DNA in het laboratorium en hoewel de kosten snel dalen, is dit nog steeds een gecompliceerde en dure aangelegenheid . Eenmaal gesynthetiseerd, moeten de sequenties zorgvuldig in vitro worden bewaard totdat ze klaar zijn om opnieuw te worden gebruikt, of ze kunnen worden gesplitst in levende cellen met behulp van CRISPR-technologie voor het bewerken van genen.
Nu echter, onderzoekers van de Columbia University hebben een nieuwe aanpak die direct digitale elektronische signalen om te zetten in de genetische gegevens die zijn opgeslagen in het genoom aangetoond s van levende cellen. Dat zou kunnen leiden tot een groot aantal toepassingen voor zowel gegevensopslag als daarbuiten, zegt Harris Wang, die het onderzoek leidde dat werd gepubliceerd in Nature Chemical Biology .
"Stel je voor dat je mobiele harde schijven hebt die in realtime kunnen rekenen en fysiek opnieuw kunnen configureren", schreef hij in een e-mail aan Singularity Hub . “We denken dat de eerste stap is om binaire gegevens direct in cellen te kunnen coderen, zonder in vitro DNA-synthese te hoeven doen.
“Dit is misschien wel het moeilijkste deel van alle benaderingen van DNA-opslag. Als je de cellen rechtstreeks met een computer kunt laten praten en het op DNA gebaseerde geheugensysteem kunt koppelen aan een op silicium gebaseerd geheugensysteem, dan zijn er in de toekomst veel mogelijkheden. "
Het werk bouwt voort op een CRISPR-gebaseerde cellulaire recorder die Wang eerder had ontworpen voor E. coli- bacteriën, die de aanwezigheid van bepaalde DNA-sequenties in de cel detecteert en dit signaal registreert in het genoom van het organisme.
Het systeem bevat een op DNA gebaseerde "detectiemodule" die verhoogde niveaus van een "triggersequentie" produceert als reactie op specifieke biologische signalen. Deze sequenties zijn opgenomen in de "DNA-ticker tape" van de recorder om het signaal te documenteren.
In dit nieuwe werk hebben Wang en collega's de detectiemodule aangepast om te werken met een biosensor die is ontwikkeld door een ander team en die reageert op elektrische signalen. Grote populaties van de bacteriën werden vervolgens in een apparaat geplaatst dat uit een reeks kamers bestond, waardoor het team ze aan elektrische signalen kon blootstellen.
Toen ze een spanning aanbrachten, werden de niveaus van de trigger-sequentie verhoogd en opgenomen in de DNA-ticker-tape. Rekken met een hoog percentage triggersequenties werden gebruikt om een binaire "1" en hun afwezigheid een "0" weer te geven, waardoor de onderzoekers digitale informatie rechtstreeks in het genoom van de bacterie konden coderen.
De hoeveelheid gegevens die een enkele cel kan bevatten, is vrij klein, slechts drie bits. Dus bedachten de onderzoekers een manier om 24 afzonderlijke populaties bacteriën te coderen met verschillende 3-bits brokken gegevens tegelijkertijd voor een totaal van 72 bits. Ze gebruikten dit om het bericht "hallo wereld!" in de bacteriën, en toonde aan dat door de gecombineerde populatie te sequencen en een speciaal ontworpen classificator te gebruiken, ze het bericht met een nauwkeurigheid van 98 procent konden achterhalen.
Het is duidelijk dat 72 bits ver verwijderd is van de opslagcapaciteit van moderne harde schijven, en zelfs celvrije DNA-opslagtechnieken handelen nu in gigabytes . Maar Wang zegt dat dit slechts een proof of concept is, en dat er voldoende ruimte is om de efficiëntie van de CRISPR-machine die de recorder aandrijft, de lengte van de ticker-tape die betrouwbaar kan worden gelezen, en zelfs de elektronica die wordt gebruikt om de codering te coderen, te vergroten. gegevens.
" Al deze dingen zullen de komende jaren verbeteren en ik denk absoluut dat het mogelijk is om de capaciteit van het systeem enorm op te schalen met verschillende ordes van grootte, zelfs op korte termijn", zei hij .
En het opslaan van gegevens in cellen in plaats van in vitro heeft een aantal significante voordelen, voegde hij eraan toe. Om te beginnen is het veel goedkoper om de gegevens te versterken of te dupliceren, omdat je simpelweg meer cellen kunt laten groeien dan dat je complexe kunstmatige DNA-synthese moet uitvoeren. In de paper toonde het team aan dat de geregistreerde informatie stabiel bleef gedurende 60 tot 80 generaties cellen.
Cellen hebben ook al een eigen vermogen om DNA te beschermen tegen omgevingsinvloeden. Ze toonden dit aan door de E. coli- cellen toe te voegen aan niet-gesteriliseerde potgrond en vervolgens op betrouwbare wijze een 52-bits bericht op te halen door de gecombineerde microbiële bodemgemeenschap te sequencen.
Het meest opwindende is misschien wel de mogelijkheid om deze gegevensregistratie te koppelen aan opkomend onderzoek naar biocomputers . Onderzoekers zijn al begonnen met het ontwerpen van het DNA van cellen zodat ze logica en geheugenbewerkingen kunnen uitvoeren , maar het creëren van een directe interface tussen silicium en genomen zou ons vermogen om cellen te herprogrammeren voor onze eigen apparaten aanzienlijk kunnen versnellen.
Kommentare