I ricercatori propongono un metodo più rapido per la registrazione dei dati a DNA, mostrando promesse nei campi dell'archiviazione di dati digitali, registrazione dei neuroni.
Il nostro codice genetico è milioni di volte più efficiente nell'archiviazione dei dati rispetto alle soluzioni esistenti, che sono costose e utilizzano enormi quantità di energia e spazio. In effetti, potremmo sbarazzarci dei dischi rigidi e archiviare tutti i dati digitali del pianeta entro un centinaio di libbre di DNA.
L'utilizzo del DNA come supporto di archiviazione dati ad alta densità ha il potenziale per creare innovazioni nella tecnologia di biorilevamento e bioregistrazione e nell'archiviazione digitale di prossima generazione, ma i ricercatori non sono stati in grado di superare le inefficienze che consentirebbero alla tecnologia di scalare.
"La natura è brava a copiare il DNA, ma volevamo davvero essere in grado di scrivere il DNA da zero". — Keith Tyo, Professore Associato di Ingegneria Chimica e Biologica
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 per sintetizzare il DNA che registra i segnali ambientali in rapida evoluzione direttamente nelle sequenze di 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 di segnali temporali con risoluzione in minuti utilizzando la sintesi enzimatica del DNA", è stata pubblicata il 30 settembre 2021, nel Journal of American Chemical Society. L'autore senior del documento, Keith EJ Tyo della Northwestern Engineering, ha affermato che il suo laboratorio era interessato a sfruttare le capacità naturali del DNA per creare una nuova soluzione per l'archiviazione dei dati.
L'autore senior del documento, il professore di ingegneria della Northwestern Keith EJ Tyo, ha affermato che il suo laboratorio era interessato a sfruttare le capacità naturali del DNA per creare una nuova soluzione per l'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 Tyo. “Il modo ex vivo (fuori dal corpo) per farlo prevede una lenta sintesi chimica. Il nostro metodo è molto più economico per scrivere informazioni perché l'enzima che sintetizza il DNA può essere manipolato direttamente. Le registrazioni intracellulari all'avanguardia sono ancora più lente perché richiedono i passaggi meccanici dell'espressione proteica in risposta ai segnali, al contrario dei nostri enzimi che sono tutti espressi in anticipo e possono memorizzare continuamente informazioni".
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 i cambiamenti ambientali e rispondervi rapidamente.
Bypassare l'espressione delle proteine
I metodi esistenti per registrare 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 reprimere l'espressione di proteine specifiche, il che può richiedere più di 10 ore per essere completato.
Il laboratorio di Tyo ha ipotizzato di poter utilizzare un nuovo metodo che hanno chiamato Registrazione senza modello sensibile al tempo utilizzando Tdt per segnali ambientali locali, o TARTARUGHE, per sintetizzare DNA completamente nuovo invece di copiarne un modello, effettuando una registrazione più veloce e ad alta risoluzione.
Man mano che la DNA polimerasi continua ad aggiungere basi, i dati vengono registrati nel codice genetico su una scala di minuti poiché i cambiamenti nell'ambiente influiscono sulla composizione del DNA che sintetizza. I cambiamenti ambientali, come i cambiamenti nella concentrazione dei metalli, sono registrati dalla polimerasi, che agisce come un "nastro adesivo molecolare" e indica agli scienziati il momento di un cambiamento ambientale. L'utilizzo di biosensori per registrare i cambiamenti nel DNA rappresenta un passo importante nel dimostrare la fattibilità di TURTLES per l'uso all'interno delle cellule 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 credo che ci sia alcun sistema di registrazione della modulazione enzimatica diretta precedentemente riportato."
Dalle cellule cerebrali all'acqua inquinata
Con più potenziale di scalabilità e precisione, TURTLES potrebbe offrire la base per strumenti che catapultano in avanti la ricerca sul cervello. Secondo Alec Callisto, anche lui co-primo autore e studente laureato nel laboratorio di Tyo, i ricercatori possono studiare solo una piccola frazione dei neuroni del cervello con la tecnologia odierna, e anche allora, ci sono limiti a ciò che sanno di fare. Posizionando i registratori all'interno di tutte le cellule del cervello, gli scienziati potrebbero mappare le risposte agli stimoli con una risoluzione di una singola cellula su molti (milioni) di neuroni.
"Se si guarda a come la tecnologia attuale si ridimensiona nel tempo, potrebbero volerci decenni prima che possiamo anche registrare un intero cervello di scarafaggio contemporaneamente alle tecnologie esistenti, per non parlare delle decine di miliardi di neuroni nel cervello umano", ha detto Callisto. "Quindi è qualcosa che vorremmo davvero accelerare."
Al di fuori del corpo, il sistema TURTLES potrebbe essere utilizzato anche per una varietà di soluzioni per affrontare la crescita esplosiva delle esigenze di archiviazione dei dati (fino a 175 zettabyte entro il 2025).
È particolarmente utile per le applicazioni di dati di archiviazione a lungo termine come l'archiviazione di filmati di sicurezza a circuito chiuso, che il team chiama dati che "scrivi una volta e leggi mai", ma che devono essere accessibili in caso di incidente. Con la tecnologia sviluppata da ingegneri, anche i dischi rigidi e le unità disco che contengono anni di amati ricordi della fotocamera potrebbero essere sostituiti da frammenti di DNA.
Al di fuori dello stoccaggio, la funzione "ticker tape" potrebbe essere utilizzata come biosensore per monitorare i contaminanti ambientali, come la concentrazione di metalli pesanti nell'acqua potabile.
Mentre il laboratorio si concentra sull'andare oltre una prova di concetto nella registrazione sia digitale che cellulare, il team ha espresso la speranza che più ingegneri si interessino al concetto e siano in grado di usarlo per registrare segnali importanti per la loro ricerca.
"Stiamo ancora costruendo l'infrastruttura genomica e le tecniche cellulari di cui abbiamo bisogno per una solida registrazione intracellulare", ha affermato Tyo. "Questo è un passo lungo la strada per raggiungere il nostro obiettivo a lungo termine".
Riferimento: "Registrazione di segnali temporali con risoluzione di minuti utilizzando la sintesi del DNA enzimatico" di Namita Bhan, Alec Callisto, Jonathan Strutz, Joshua Glaser, Reza Kalhor, Edward S. Boyden, George Church, Konrad Kording e Keith EJ Tyo, 30 settembre 2021, Journal of American Chemical Society.
DOI: 10.1021 / jacs.1c07331
Questo lavoro è stato finanziato da due sovvenzioni del National Institutes of Health (R01MH103910 e UF1NS107697) e da un NIH Training Grant (T32GM008449) attraverso il programma di formazione sulla biotecnologia della Northwestern University. La ricerca è stata supportata in parte attraverso le risorse computazionali e i contributi del personale forniti per la struttura di calcolo ad alte prestazioni Quest presso la Northwestern University, che è supportata congiuntamente dall'Ufficio del Prevosto, dall'Ufficio per la ricerca e dall'Information Technology della Northwestern University. Tutto il sequenziamento di nuova generazione è stato eseguito con l'aiuto della struttura Next Generation Sequencing Core presso l'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 Keck Biophysics Facility della Northwestern University e da un Cancer Center Support Grant (NCI CA060553). Azure Sapphire Imager della Keck Biophysics Facility è stato finanziato da una sovvenzione NIH (1S10OD026963-01). La purificazione delle proteine è stata supportata dal nucleo di produzione di proteine ricombinanti della Northwestern University.
