Navorsers stel vinniger metode voor om data aan te teken DNA, wat belofte toon in velde van digitale databerging, neuronopname.
Ons genetiese kode is miljoene kere meer doeltreffend om data te stoor as bestaande oplossings, wat duur is en geweldige hoeveelhede energie en ruimte gebruik. Trouens, ons kan van hardeskywe ontslae raak en al die digitale data op die planeet binne 'n paar honderd pond DNA stoor.
Die gebruik van DNA as 'n hoë-digtheid data stoor medium hou die potensiaal in om deurbrake te bewerkstellig in biosensing en bio-opname tegnologie en die volgende generasie digitale berging, maar navorsers kon nie ondoeltreffendheid oorkom wat die tegnologie sou laat skaal nie.
"Die natuur is goed om DNS te kopieer, maar ons wou regtig DNS van nuuts af kon skryf." — Keith Tyo, medeprofessor in chemiese en biologiese ingenieurswese
Nou, navorsers by Noordwes-Universiteit stel 'n nuwe metode voor om inligting op DNA aan te teken wat minute, eerder as ure of dae, neem om te voltooi. Die span het 'n nuwe ensiematiese stelsel gebruik om DNS te sintetiseer wat vinnig veranderende omgewingseine direk in DNS-volgordes opneem, 'n metode wat die koerant se senior skrywer gesê het die manier waarop wetenskaplikes studeer en neurone in die brein opneem, kan verander.
Die navorsing, "Recording Temporal Signals with Minute Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis," is op 30 September 2021 gepubliseer in die Tydskrif van die Amerikaanse Chemiese Vereniging. Die koerant se senior skrywer, Northwestern Engineering se Keith EJ Tyo, het gesê sy laboratorium stel daarin belang om DNA se natuurlike vermoëns te benut om 'n nuwe oplossing vir die stoor van data te skep.
Die koerant se senior skrywer, Noordwes-ingenieursprofessor Keith EJ Tyo, het gesê sy laboratorium stel daarin belang om DNA se natuurlike vermoëns te benut om 'n nuwe oplossing vir die stoor van data te skep.
"Die natuur is goed om DNS te kopieer, maar ons wou regtig DNS van nuuts af kon skryf," het Tyo gesê. “Die ex vivo (buite die liggaam) manier om dit te doen behels 'n stadige, chemiese sintese. Ons metode is baie goedkoper om inligting te skryf omdat die ensiem wat die DNA sintetiseer direk gemanipuleer kan word. Moderne intrasellulêre opnames is selfs stadiger omdat dit die meganiese stappe van proteïenuitdrukking vereis in reaksie op seine, in teenstelling met ons ensieme wat almal voor die tyd uitgedruk word en voortdurend inligting kan stoor.”
Tyo, 'n professor in chemiese en biologiese ingenieurswese in die McCormick Skool vir Ingenieurswese, is 'n lid van die Sentrum vir Sintetiese Biologie, en bestudeer mikrobes en hul meganismes om omgewingsveranderinge waar te neem en vinnig daarop te reageer.
Omseil proteïenuitdrukking
Bestaande metodes om intrasellulêre molekulêre en digitale data na DNA op te teken maak staat op meervoudige prosesse wat nuwe data by bestaande reekse van DNA voeg. Om 'n akkurate opname te maak, moet navorsers die uitdrukking van spesifieke proteïene stimuleer en onderdruk, wat meer as 10 uur kan neem om te voltooi.
Die Tyo-laboratorium het veronderstel dat hulle 'n nuwe metode kan gebruik wat hulle Tydsensitiewe Untemplated Recording genoem het met behulp van Tdt for Local Environmental Signals, of TURTLES, om heeltemal nuwe DNA te sintetiseer in plaas daarvan om 'n sjabloon daarvan te kopieer, om 'n vinniger en hoër resolusie-opname te maak.
Soos die DNS-polimerase voortgaan om basisse by te voeg, word data op 'n skaal van minute in die genetiese kode aangeteken, aangesien veranderinge in die omgewing die samestelling van die DNS wat dit sintetiseer, beïnvloed. Die omgewingsveranderinge, soos veranderinge in die konsentrasie van metale, word deur die polimerase aangeteken, wat as 'n "molekulêre tikband" optree en vir wetenskaplikes die tyd van 'n omgewingsverandering aandui. Die gebruik van biosensors om veranderinge in DNS aan te teken, verteenwoordig 'n groot stap in die bewys van TURTLES se lewensvatbaarheid vir gebruik binne selle, en kan navorsers die vermoë gee om aangetekende DNS te gebruik om te leer oor hoe neurone met mekaar kommunikeer.
"Dit is 'n baie opwindende bewys van konsep vir metodes wat ons eendag die interaksies tussen miljoene selle gelyktydig kan bestudeer," het Namita Bhan, mede-eerste skrywer en 'n postdoktorale navorser in die Tyo-laboratorium gesê. "Ek dink nie daar is enige voorheen gerapporteerde direkte ensiemmodulasie-opnamestelsel nie."
Van breinselle tot besoedelde water
Met meer potensiaal vir skaalbaarheid en akkuraatheid, TURTLES kan die basis bied vir gereedskap wat breinnavorsing vorentoe katapult. Volgens Alec Callisto, ook 'n mede-eerste skrywer en gegradueerde student in die Tyo-laboratorium, kan navorsers slegs 'n klein fraksie van 'n brein se neurone met vandag se tegnologie bestudeer, en selfs dan is daar beperkings op wat hulle weet hulle doen. Deur opnemers binne al die selle in die brein te plaas, kon wetenskaplikes reaksies op stimuli met enkelsel-resolusie oor baie (miljoen) neurone karteer.
"As jy kyk na hoe huidige tegnologie met verloop van tyd skaal, kan dit dekades duur voordat ons selfs 'n hele kakkerlakbrein gelyktydig met bestaande tegnologieë kan opneem - laat staan nog die tienmiljarde neurone in menslike breine," het Callisto gesê. "So dit is iets wat ons baie graag wil versnel."
Buite die liggaam kan die TURTLES-stelsel ook gebruik word vir 'n verskeidenheid oplossings om die plofbare groei in databergingsbehoeftes aan te spreek (tot 175 zettagrepe teen 2025).
Dit is veral goed vir langtermyn-argiefdatatoepassings soos die berging van geslotekring-sekuriteitsbeeldmateriaal, waarna die span verwys as data wat jy "een keer skryf en nooit lees nie", maar toeganklik moet hê indien 'n voorval plaasvind. Met tegnologie wat deur ingenieurs ontwikkel is, kan hardeskywe en skyfies wat jare se geliefde kameraherinneringe bevat, ook deur stukkies DNA vervang word.
Buite berging kan die "tikkerband"-funksie as 'n biosensor gebruik word om omgewingsbesoedeling, soos die swaarmetaalkonsentrasie in drinkwater, te monitor.
Terwyl die laboratorium daarop fokus om verby 'n bewys van konsep te beweeg in beide digitale en sellulêre opname, het die span hoop uitgespreek dat meer ingenieurs in die konsep sou belangstel en dit kan gebruik om seine wat belangrik is vir hul navorsing op te teken.
“Ons bou steeds die genomiese infrastruktuur en sellulêre tegnieke uit wat ons nodig het vir robuuste intrasellulêre opname,” het Tyo gesê. "Dit is 'n stap op die pad om ons langtermyndoelwit te bereik."
Verwysing: "Recording Temporal Signals with Minute Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis" deur Namita Bhan, Alec Callisto, Jonathan Strutz, Joshua Glaser, Reza Kalhor, Edward S. Boyden, George Church, Konrad Kording en Keith EJ Tyo, 30 September 2021, Tydskrif van die Amerikaanse Chemiese Vereniging.
DOI: 10.1021/jacs.1c07331
Hierdie werk is befonds deur twee National Institutes of Health-toekennings (R01MH103910; en UF1NS107697) en 'n NIH-opleidingstoelae (T32GM008449) deur die Noordwes-Universiteit se Biotegnologie-opleidingsprogram. Die navorsing is gedeeltelik ondersteun deur die rekenaarhulpbronne en personeelbydraes wat voorsien is vir die Quest-hoëprestasie-rekenaarfasiliteit by die Noordwes-Universiteit, wat gesamentlik deur die Kantoor van die Provos, die Kantoor vir Navorsing en Noordwes-Universiteit Inligtingstegnologie ondersteun word. Alle volgende generasie volgordebepaling is gedoen met behulp van die Next Generation Sequencing Core-fasiliteit by die Universiteit van Illinois in Chicago. Sanger-volgordebepaling is ondersteun deur die Noordwes-Universiteit NUSeq-kernfasiliteit. Gel beelding is ondersteun deur die Noordwes-Universiteit Keck Biofisika Fasiliteit en 'n Kanker Sentrum Ondersteuning Grant (NCI CA060553). Die Keck Biofisika-fasiliteit se Azure Sapphire Imager is gefinansier deur 'n NIH-toekenning (1S10OD026963-01). Proteïensuiwering is ondersteun deur die Noordwes-Universiteit Rekombinante Proteïenproduksiekern.
