Raziskovalci predlagajo hitrejši način beleženja podatkov DNKObeta se na področju snemanja nevronov, shranjevanja digitalnih podatkov.

Naš genetski kod je milijone krat učinkovitejši pri shranjevanju podatkov kot obstoječe rešitve, ki so drage in porabijo ogromno energije in prostora. Pravzaprav se lahko znebimo trdih diskov in vse digitalne podatke na planetu shranimo v dvesto kilogramov DNK.

Uporaba DNK kot medija za shranjevanje podatkov z visoko gostoto ima potencial za preboj v tehnologiji biosenziranja in bio snemanja ter digitalni pomnilnik naslednje generacije, vendar raziskovalci niso mogli odpraviti neučinkovitosti, ki bi tehnologiji omogočile povečanje obsega.

Zdaj raziskovalci Severozahodna univerza Predlagana je nova metoda za snemanje informacij v DNK, ki traja nekaj minut namesto ur ali dni. Ekipa je uporabila nov encimski sistem za sintezo DNK, ki beleži hitro spreminjajoče se okoljske signale neposredno v zaporedja DNK, metodo, ki so jo znanstveniki uporabili za preučevanje in beleženje nevronov v možganih, je dejal avtor, ki ga je mogoče spremeniti.

Raziskava “Zapis časovnih signalov z ločljivostjo minut z uporabo encimske sinteze DNA” je bila objavljena 30. septembra 2021. Revija Ameriškega kemijskega združenja. Višji avtor članka, Keith EJ Tayo iz Northwestern Engineering, je dejal, da je njegov laboratorij zainteresiran za izkoriščanje naravnih sposobnosti DNK za ustvarjanje nove rešitve za shranjevanje podatkov.

Višji avtor članka, profesor inženiringa Northwestern Keith EJ Tayo, je dejal, da je njegov laboratorij zainteresiran za izkoriščanje naravnih sposobnosti DNK za ustvarjanje nove rešitve za shranjevanje podatkov.

“Narava je dobra pri kopiranju DNK, vendar smo si resnično želeli, da bi lahko napisali DNK iz nič,” je dejal Tayo. “Način, kako to narediti ex vivo (zunaj telesa), vključuje počasno, kemično sintezo. Naš način zapisovanja informacij je veliko cenejši, ker je z encimom, ki sintetizira DNK, mogoče neposredno manipulirati. Najnovejši znotrajcelični posnetki so celo počasneje. “Ker zahtevajo mehanske korake izražanja beljakovin kot odziv na signale, za razliko od naših encimov, ki so vsi izraženi prezgodaj in lahko neprekinjeno shranjujejo informacije.

Tayo, profesor kemijskega in biološkega inženiringa na McCormick School of Engineering, je član Centra za sintetično biologijo in preučuje mikrobe ter njihove mehanizme za zaznavanje in hiter odziv na okoljske spremembe.

zaobiti izražanje beljakovin

Obstoječe metode beleženja znotrajceličnih molekularnih in digitalnih podatkov v DNK temeljijo na večdelnih procesih, ki obstoječim sekvencam DNK dodajajo nove podatke. Za natančen zapis morajo raziskovalci spodbuditi in zavreti izražanje specifičnih beljakovin, kar lahko traja več kot 10 ur.

Laboratorij Tayo je domneval, da bi lahko uporabili novo metodo, ki so jo imenovali časovno občutljivo snemanje brez vzorcev, z uporabo TDT za lokalne okoljske znake ali želve, da bi kopirali popolnoma novo DNK, namesto da bi kopirali njeno predlogo. .

Ker DNA polimeraza še naprej dodaja baze, se podatki vnesejo v genetsko kodo na lestvici minut, saj spremembe v okolju vplivajo na strukturo DNK, ki jo sintetizira. Okoljske spremembe, kot so spremembe koncentracije kovin, beležijo polimeraze, ki delujejo kot “molekularni trakovi” in znanstvenikom nakazujejo čas okoljskih sprememb. Uporaba biosenzorjev za beleženje sprememb v DNK predstavlja pomemben korak pri dokazovanju sposobnosti preživetja želv za uporabo v celicah in bi lahko raziskovalcem omogočila uporabo posnete DNK, da bi izvedeli, kako nevroni med seboj komunicirajo.

“To je zelo razburljiv dokaz koncepta za metode, ki nam bodo nekega dne lahko pomagale preučiti interakcije med milijoni celic,” je dejala soustanoviteljica in podoktorska raziskovalka Namita Bhan v laboratoriju Tayo. “Mislim, da ni nobenega predhodno prijavljenega sistema za snemanje z neposredno encimsko modulacijo.”

Od možganskih celic do onesnažene vode

z večjim potencialom za razširljivost in Natančnost, TURTLES so lahko osnova za orodja, ki pospešujejo možganske raziskave. Po mnenju prvega avtorja in podiplomskega študenta Aleca Callista v laboratoriju Tayo lahko raziskovalci z današnjo tehnologijo preučujejo le majhen del možganskih nevronov in tudi takrat obstajajo omejitve glede tega, kar vedo. Z namestitvijo snemalnikov v vse celice v možganih lahko znanstveniki preslikajo odzive na dražljaje z enocelično ločljivostjo v številnih (milijonih) nevronih.

“Če pogledate, kako trenutna tehnologija napreduje skozi čas, bi lahko pred desetletji posneli celotne možgane ščurkov hkrati z obstoječimi tehnikami – kaj šele milijarde nevronov v človeških možganih,” je dejal Callisto. “Torej bi to res radi pospešili.”

Zunaj telesa se lahko želvji sistemi uporabljajo tudi za različne rešitve za reševanje eksplozivne rasti zahtev po shranjevanju podatkov (do 175 zetabajtov do leta 2025).

To je še posebej dobro za dolgoročne aplikacije za arhiviranje podatkov, kot je shranjevanje varnostnih posnetkov v zaprtem krogu, ki jih ekipa imenuje kot podatke, ki jih “enkrat napišete in nikoli ne preberete”, vendar morajo biti v primeru dogodka dostopni. S tehnologijo, ki so jo razvili inženirji, lahko trde diske in pogone na diskih, ki hranijo dolgoletne spomine na fotoaparate, nadomestijo z delčki DNK.

Zunaj skladiščenja lahko funkcijo “tiker tape” uporabite kot biosenzor za spremljanje onesnaževal okolja, kot so koncentracije težkih kovin v pitni vodi.

Medtem ko se laboratorij osredotoča na preseganje dokazovanja koncepta pri digitalnem in mobilnem snemanju, ekipa upa, da se bo koncept zanimal več inženirjev in ga lahko uporabil za beleženje vitalnih znakov za svoje raziskave.

“Še vedno gradimo genomsko infrastrukturo in celične tehnologije, ki jih potrebujemo za robustno medcelično snemanje,” je dejal Tayo. “To je korak k doseganju našega dolgoročnega cilja.”

Referenca: “Snemanje časovnih signalov z minutno ločljivostjo z uporabo encimske sinteze DNA z uporabo encimske sinteze DNA” avtorjev Namita Bhan, Alec Callisto, Jonathan Strutz, Joshua Glaser, Reza Kalhor, Edward S. Boyden, George Church, Konrad Kording in Keith EJ Tayo 2021, Revija Ameriškega kemijskega združenja.
DOI: 10.1021/jacs.1c07331

To delo sta financirala dva štipendija Nacionalnega inštituta za zdravje (R01MH103910; in UF1NS107697) in štipendija za usposabljanje NIH (T32GM008449) v okviru programa usposabljanja za biotehnologijo severozahodne univerze. Raziskave so bile podprte s prispevki iz računalniških virov in osebja, namenjenega visoko zmogljivemu računalniškemu objektu Quest na severozahodni univerzi, ki ga skupaj podpirajo Provostov urad za raziskave, urad za raziskave in informacijsko tehnologijo univerze Northwestern. Vse zaporedje naslednje generacije je bilo izvedeno s pomočjo jedra naslednje generacije za sekvenciranje na Univerzi Illinois v Chicagu. Sangerjevo zaporedje je podprla jedrna ustanova Northwestern University NUSeq Core Facility. Slikanje z gelom sta podprla ustanova za biofiziko Northwestern University Keck in donacija Centra za podporo raka (NCI CA060553). Azure Sapphire Imager Keck Biophysics Facility je bil financiran iz donacije NIH (1S10OD026963-01). Čiščenje beljakovin je podprlo jedro proizvodnje rekombinantnih beljakovin Northwestern University.