Forscher schlagen eine schnellere Methode zur Datenaufzeichnung vor DNA, vielversprechend in den Bereichen digitale Datenspeicherung und Neuronenaufzeichnung.
Unser genetischer Code ist beim Speichern von Daten millionenfach effizienter als bestehende Lösungen, die kostspielig sind und immense Mengen an Energie und Platz verbrauchen. Tatsächlich könnten wir Festplatten abschaffen und alle digitalen Daten auf dem Planeten innerhalb von ein paar hundert Pfund DNA speichern.
Die Verwendung von DNA als hochdichtes Datenspeichermedium birgt das Potenzial, Durchbrüche in der Biosensor- und Bioaufzeichnungstechnologie und der digitalen Speicherung der nächsten Generation zu erzielen, aber die Forscher waren nicht in der Lage, Ineffizienzen zu überwinden, die eine Skalierung der Technologie ermöglichen würden.
„Die Natur ist gut darin, DNA zu kopieren, aber wir wollten wirklich in der Lage sein, DNA von Grund auf neu zu schreiben.“ — Keith Tyo, außerordentlicher Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen
Nun, Forscher bei Northwestern University schlagen eine neue Methode zur Aufzeichnung von Informationen auf der DNA vor, die Minuten statt Stunden oder Tage in Anspruch nimmt. Das Team verwendete ein neuartiges enzymatisches System, um DNA zu synthetisieren, die sich schnell ändernde Umweltsignale direkt in DNA-Sequenzen aufzeichnet, eine Methode, die laut dem leitenden Autor der Veröffentlichung die Art und Weise verändern könnte, wie Wissenschaftler Neuronen im Gehirn untersuchen und aufzeichnen.
Die Forschungsarbeit „Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis“ wurde am 30. September 2021 in veröffentlicht Journal of the American Chemical Society. Der leitende Autor des Papiers, Keith EJ Tyo von Northwestern Engineering, sagte, sein Labor sei daran interessiert, die natürlichen Fähigkeiten der DNA zu nutzen, um eine neue Lösung zur Speicherung von Daten zu entwickeln.
Der leitende Autor der Veröffentlichung, Keith EJ Tyo, Professor für Ingenieurwissenschaften aus dem Nordwesten der USA, sagte, sein Labor sei daran interessiert, die natürlichen Fähigkeiten der DNA zu nutzen, um eine neue Lösung zur Speicherung von Daten zu entwickeln.
„Die Natur ist gut darin, DNA zu kopieren, aber wir wollten wirklich in der Lage sein, DNA von Grund auf neu zu schreiben“, sagte Tyo. „Der Ex-vivo-Weg (außerhalb des Körpers) beinhaltet eine langsame, chemische Synthese. Unsere Methode ist viel billiger, Informationen zu schreiben, weil das Enzym, das die DNA synthetisiert, direkt manipuliert werden kann. Hochmoderne intrazelluläre Aufzeichnungen sind sogar noch langsamer, weil sie die mechanischen Schritte der Proteinexpression als Reaktion auf Signale erfordern, im Gegensatz zu unseren Enzymen, die alle im Voraus exprimiert werden und kontinuierlich Informationen 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, um Umweltveränderungen zu erkennen und schnell darauf zu reagieren.
Proteinexpression umgehen
Existierende Verfahren zum Aufzeichnen intrazellulärer molekularer und digitaler Daten in DNA beruhen auf mehrteiligen Prozessen, die neue Daten zu bestehenden DNA-Sequenzen hinzufügen. Um eine genaue Aufzeichnung zu erstellen, müssen die Forscher die Expression bestimmter Proteine stimulieren und unterdrücken, was über 10 Stunden dauern kann.
Das Tyo-Labor stellte die Hypothese auf, dass sie eine neue Methode verwenden könnten, die sie Time-Sensitive Untemplated Recording using Tdt for Local Environmental Signals oder TURTLES nennen, um eine völlig neue DNA zu synthetisieren, anstatt eine Vorlage davon zu kopieren, wodurch eine schnellere und hochauflösendere Aufzeichnung erstellt wird.
Während die DNA-Polymerase weiterhin Basen hinzufügt, werden Daten im Minutenbereich in den genetischen Code aufgenommen, da Änderungen in der Umgebung die Zusammensetzung der von ihr synthetisierten DNA beeinflussen. Die Umweltveränderungen, wie beispielsweise Änderungen der Metallkonzentration, werden von der Polymerase aufgezeichnet, die als „molekulares Laufband“ fungiert und den Wissenschaftlern den Zeitpunkt einer Umweltveränderung anzeigt. Die Verwendung von Biosensoren zur Aufzeichnung von DNA-Veränderungen stellt einen wichtigen Schritt dar, um die Lebensfähigkeit von TURTLES für die Verwendung in Zellen zu beweisen, und könnte Forschern die Möglichkeit geben, aufgezeichnete DNA zu verwenden, um zu erfahren, wie Neuronen miteinander kommunizieren.
„Dies ist ein wirklich aufregender Machbarkeitsnachweis für Methoden, mit denen wir eines Tages die Wechselwirkungen zwischen Millionen von Zellen gleichzeitig untersuchen können“, sagte Namita Bhan, Co-Erstautorin und Postdoktorandin im Tyo-Labor. „Ich glaube nicht, dass es ein zuvor beschriebenes Aufnahmesystem für die direkte Enzymmodulation gibt.“
Von Gehirnzellen bis zu verschmutztem Wasser
Mit mehr Potenzial für Skalierbarkeit und Genauigkeitkönnten TURTLES die Grundlage für Werkzeuge bieten, die die Hirnforschung vorantreiben. Laut Alec Callisto, ebenfalls Co-Erstautor und Doktorand im Tyo-Labor, können Forscher mit der heutigen Technologie nur einen winzigen Bruchteil der Neuronen eines Gehirns untersuchen, und selbst dann sind dem, was sie wissen, Grenzen gesetzt. Durch die Platzierung von Rekordern in allen Zellen des Gehirns konnten Wissenschaftler Reaktionen auf Reize mit Einzelzellauflösung über viele (Millionen) Neuronen abbilden.
„Wenn Sie sich ansehen, wie die aktuelle Technologie im Laufe der Zeit skaliert, könnte es Jahrzehnte dauern, bis wir sogar ein ganzes Kakerlakengehirn gleichzeitig mit bestehenden Technologien aufzeichnen können – ganz zu schweigen von den zig Milliarden Neuronen im menschlichen Gehirn“, sagte Callisto. "Das ist also etwas, das wir wirklich gerne beschleunigen würden."
Außerhalb des Körpers könnte das TURTLES-System auch für eine Vielzahl von Lösungen verwendet werden, um dem explosionsartigen Wachstum des Datenspeicherbedarfs (bis zu 175 Zettabytes bis 2025) gerecht zu werden.
Es eignet sich besonders gut für Anwendungen zur Langzeitarchivierung von Daten, wie z. B. die Speicherung von Sicherheitsaufzeichnungen, die das Team als Daten bezeichnet, die Sie „einmal schreiben und nie lesen“, auf die Sie jedoch im Falle eines Vorfalls zugreifen müssen. Mit von Ingenieuren entwickelter Technologie könnten Festplatten und Diskettenlaufwerke, die jahrelang geliebte Kameraerinnerungen enthalten, auch durch DNA-Stücke ersetzt werden.
Außerhalb der Lagerung könnte die „Tickerband“-Funktion als Biosensor zur Überwachung von Umweltschadstoffen wie der Schwermetallkonzentration im Trinkwasser verwendet werden.
Während sich das Labor darauf konzentriert, sowohl bei der digitalen als auch bei der Mobilfunkaufzeichnung über einen Machbarkeitsnachweis hinauszugehen, äußerte das Team die Hoffnung, dass sich mehr Ingenieure für das Konzept interessieren und es zur Aufzeichnung von Signalen verwenden könnten, die für ihre Forschung wichtig sind.
„Wir bauen immer noch die genomische Infrastruktur und die zellulären Techniken aus, die wir für eine robuste intrazelluläre Aufzeichnung benötigen“, sagte Tyo. „Dies ist ein Schritt auf dem Weg zu unserem langfristigen Ziel.“
Referenz: „Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis“ von Namita Bhan, Alec Callisto, Jonathan Strutz, Joshua Glaser, Reza Kalhor, Edward S. Boyden, George Church, Konrad Kording und Keith EJ Tyo, 30. September 2021, Journal of the American Chemical Society.
DOI: 10.1021 / jacs.1c07331
Diese Arbeit wurde von zwei National Institutes of Health Grants (R01MH103910; und UF1NS107697) und einem NIH Training Grant (T32GM008449) durch das Biotechnology Training Program der Northwestern University finanziert. Die Forschung wurde teilweise durch die Rechenressourcen und Personalbeiträge unterstützt, die für die Quest High-Performance Computing Facility an der Northwestern University bereitgestellt wurden, die gemeinsam vom Office of the Provost, dem Office for Research und der Northwestern University Information Technology unterstützt wird. Die gesamte Next-Generation-Sequenzierung wurde mit Hilfe der Next-Generation-Sequencing-Core-Einrichtung 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 Keck Biophysics Facility und einem Cancer Center Support Grant (NCI CA060553) unterstützt. Der Azure Sapphire Imager der Keck Biophysics Facility wurde durch ein NIH-Stipendium (1S10OD026963-01) finanziert. Die Proteinreinigung wurde vom Northwestern University Recombinant Protein Production Core unterstützt.
