Watafiti wanapendekeza njia ya haraka ya kurekodi data kwa DNA, kuonyesha ahadi katika nyanja za hifadhi ya data dijitali, kurekodi neuroni.
Nambari yetu ya kijeni ina ufanisi wa mamilioni ya mara zaidi katika kuhifadhi data kuliko suluhu zilizopo, ambazo ni ghali na hutumia kiasi kikubwa cha nishati na nafasi. Kwa kweli, tunaweza kuondoa anatoa ngumu na kuhifadhi data zote za kidijitali kwenye sayari ndani ya pauni mia kadhaa za DNA.
Kutumia DNA kama njia ya kuhifadhi data yenye msongamano wa juu kunashikilia uwezekano wa kuleta mafanikio katika teknolojia ya kuhisi na kurekodi kibayolojia na hifadhi ya kidijitali ya kizazi kijacho, lakini watafiti hawajaweza kukabiliana na ukosefu wa ufanisi ambao ungeruhusu teknolojia kuongezeka.
"Asili ni nzuri katika kunakili DNA, lakini tulitaka sana kuweza kuandika DNA kutoka mwanzo." - Keith Tyo, Profesa Mshiriki wa Uhandisi wa Kemikali na Baiolojia
Sasa, watafiti katika Chuo Kikuu cha Northwestern kupendekeza mbinu mpya ya kurekodi taarifa kwa DNA ambayo inachukua dakika, badala ya saa au siku, kukamilika. Timu hiyo ilitumia mfumo wa riwaya wa enzymatic kuunganisha DNA ambayo inarekodi mabadiliko ya haraka ya ishara za mazingira moja kwa moja kwenye mlolongo wa DNA, njia ambayo mwandishi mkuu wa karatasi alisema inaweza kubadilisha jinsi wanasayansi husoma na kurekodi niuroni ndani ya ubongo.
Utafiti, "Kurekodi Ishara za Muda na Azimio la Dakika Kwa Kutumia Mchanganyiko wa Enzymatic DNA," ulichapishwa mnamo Septemba 30, 2021, katika Jarida la American Chemical Society. Mwandishi mkuu wa karatasi hiyo, Keith EJ Tyo wa Uhandisi wa Kaskazini Magharibi, alisema maabara yake ina nia ya kutumia uwezo wa asili wa DNA kuunda suluhisho jipya la kuhifadhi data.
Mwandishi mkuu wa karatasi hiyo, profesa wa uhandisi wa Kaskazini-magharibi Keith EJ Tyo, alisema maabara yake ina nia ya kutumia uwezo wa asili wa DNA kuunda suluhisho jipya la kuhifadhi data.
"Asili ni nzuri katika kunakili DNA, lakini tulitaka sana kuweza kuandika DNA kutoka mwanzo," Tyo alisema. "Njia ya ex vivo (nje ya mwili) ya kufanya hivi inahusisha usanisi wa kemikali polepole. Njia yetu ni ya bei nafuu zaidi kuandika habari kwa sababu kimeng'enya kinachotengeneza DNA kinaweza kubadilishwa moja kwa moja. Rekodi za hali ya juu za ndani ya seli ni polepole zaidi kwa sababu zinahitaji hatua za kiufundi za kujieleza kwa protini ili kujibu ishara, kinyume na vimeng'enya vyetu ambavyo vyote huonyeshwa mapema na vinaweza kuhifadhi habari kila wakati.
Tyo, profesa wa uhandisi wa kemikali na kibaolojia katika Shule ya Uhandisi ya McCormick, ni mwanachama wa Kituo cha Biolojia Sinisi, na anasoma vijiumbe na njia zao za kuhisi mabadiliko ya mazingira na kujibu haraka.
Kukwepa kujieleza kwa protini
Mbinu zilizopo za kurekodi data ya ndani ya seli ya molekuli na dijiti kwa DNA hutegemea michakato ya sehemu nyingi ambayo huongeza data mpya kwa mfuatano uliopo wa DNA. Ili kutoa rekodi sahihi, watafiti lazima wachangamshe na kukandamiza usemi wa protini maalum, ambao unaweza kuchukua zaidi ya saa 10 kukamilika.
Maabara ya Tyo ilidokeza kuwa wanaweza kutumia mbinu mpya ambayo waliiita Rekodi Isiyojali Muda kwa kutumia Tdt kwa Mawimbi ya Mazingira ya Ndani, au TURTLES, kuunganisha DNA mpya kabisa badala ya kunakili kiolezo chake, kutengeneza rekodi ya kasi na ya juu zaidi.
Kadiri polimerasi ya DNA inavyoendelea kuongeza besi, data hurekodiwa katika msimbo wa kijenetiki kwa kiwango cha dakika kwani mabadiliko katika mazingira huathiri muundo wa DNA inayosanisi. Mabadiliko ya mazingira, kama vile mabadiliko katika mkusanyiko wa metali, yanarekodiwa na polymerase, ikifanya kazi kama "mkanda wa ticker wa molekuli" na kuonyesha kwa wanasayansi wakati wa mabadiliko ya mazingira. Kutumia vihisi kurekodi mabadiliko katika DNA kunawakilisha hatua kuu katika kuthibitisha uwezekano wa TURTLES kwa matumizi ndani ya seli, na kunaweza kuwapa watafiti uwezo wa kutumia DNA iliyorekodiwa kujifunza kuhusu jinsi niuroni zinavyowasiliana.
"Huu ni uthibitisho wa kufurahisha wa dhana ya njia ambazo siku moja zinaweza kuturuhusu kusoma mwingiliano kati ya mamilioni ya seli wakati huo huo," alisema Namita Bhan, mwandishi mwenza wa kwanza na mtafiti wa baada ya udaktari katika maabara ya Tyo. "Sidhani kama kuna mfumo wowote wa kurekodi wa urekebishaji wa kimeng'enya ulioripotiwa hapo awali."
Kutoka kwa seli za ubongo hadi maji machafu
Kwa uwezekano zaidi wa scalability na usahihi, TURTLES wanaweza kutoa msingi wa zana zinazochochea utafiti wa ubongo mbele. Kulingana na Alec Callisto, pia mwandishi mwenza wa kwanza na mwanafunzi aliyehitimu katika maabara ya Tyo, watafiti wanaweza kusoma sehemu ndogo tu ya niuroni za ubongo na teknolojia ya kisasa, na hata wakati huo, kuna mipaka kwa kile wanachojua wanafanya. Kwa kuweka vinasa sauti ndani ya seli zote kwenye ubongo, wanasayansi wangeweza kuchora majibu kwa vichochezi kwa azimio la seli moja kwenye niuroni nyingi (milioni).
"Ukiangalia jinsi teknolojia ya sasa inavyoongezeka kwa wakati, inaweza kuwa miongo kadhaa kabla hata tunaweza kurekodi ubongo mzima wa mende kwa wakati mmoja na teknolojia zilizopo - achilia mbali makumi ya mabilioni ya niuroni katika akili za binadamu," Callisto alisema. "Kwa hivyo hilo ni jambo ambalo tungependa kuharakisha."
Nje ya mwili, mfumo wa TURTLES pia unaweza kutumika kwa aina mbalimbali za suluhu za kushughulikia ukuaji mlipuko wa mahitaji ya kuhifadhi data (hadi zettabaiti 175 kufikia 2025).
Ni nzuri sana kwa programu za data za kumbukumbu za muda mrefu kama vile kuhifadhi picha za usalama za mtandao funge, ambazo timu inarejelea kama data ambayo "huandika mara moja na kamwe usiisome," lakini inahitaji kufikiwa ikiwa tukio litatokea. Kwa teknolojia iliyotengenezwa na wahandisi, anatoa ngumu na viendeshi vya diski ambavyo huhifadhi kumbukumbu za kamera pendwa pia vinaweza kubadilishwa na vipande vya DNA.
Nje ya hifadhi, kipengele cha "tepi ya tiki" kinaweza kutumika kama kichunguzi cha kuchunguza uchafuzi wa mazingira, kama vile mkusanyiko wa metali nzito katika maji ya kunywa.
Ingawa maabara inalenga zaidi ya uthibitisho wa dhana katika rekodi za dijiti na za simu, timu ilionyesha matumaini kwamba wahandisi zaidi wangependezwa na dhana hiyo na waweze kuitumia kurekodi ishara muhimu kwa utafiti wao.
"Bado tunajenga miundombinu ya jeni na mbinu za simu za mkononi tunazohitaji kwa ajili ya kurekodi ndani ya seli," Tyo alisema. "Hii ni hatua ya kuelekea kwenye lengo letu la muda mrefu."
Rejea: "Kurekodi Ishara za Muda kwa Azimio la Dakika Kwa Kutumia Mchanganyiko wa Enzymatic DNA" na Namita Bhan, Alec Callisto, Jonathan Strutz, Joshua Glaser, Reza Kalhor, Edward S. Boyden, George Church, Konrad Kording na Keith EJ Tyo, 30 Septemba 2021, Jarida la American Chemical Society.
DOI: 10.1021/jacs.1c07331
Kazi hii ilifadhiliwa na ruzuku mbili za Taasisi za Kitaifa za Afya (R01MH103910; na UF1NS107697) na Ruzuku ya Mafunzo ya NIH (T32GM008449) kupitia Programu ya Mafunzo ya Bayoteknolojia ya Chuo Kikuu cha Northwestern. Utafiti huo uliungwa mkono kwa sehemu kupitia rasilimali za hesabu na michango ya wafanyikazi iliyotolewa kwa kituo cha kompyuta cha utendaji wa juu cha Quest katika Chuo Kikuu cha Northwestern, ambacho kinaungwa mkono kwa pamoja na Ofisi ya Provost, Ofisi ya Utafiti na Teknolojia ya Habari ya Chuo Kikuu cha Northwestern. Mipangilio yote ya kizazi kijacho ilifanywa kwa usaidizi wa Kituo Kinachofuata cha Mipangilio ya Kizazi katika Chuo Kikuu cha Illinois huko Chicago. Mfuatano wa Sanger uliungwa mkono na Kituo Kikuu cha Northwestern NUSeq Core Facility. Upigaji picha wa jeli uliungwa mkono na Kituo cha Baiolojia cha Keck cha Chuo Kikuu cha Northwestern na Ruzuku ya Usaidizi ya Kituo cha Saratani (NCI CA060553). Picha ya Keck Biophysics Facility ya Azure Sapphire ilifadhiliwa na ruzuku ya NIH (1S10OD026963-01). Utakaso wa protini uliungwa mkono na Msingi wa Uzalishaji wa Protini wa Chuo Kikuu cha Northwestern.
