Il nostro codice genetico è milioni di volte più efficiente nella memorizzazione dei dati rispetto alle soluzioni esistenti, che sono costosi e utilizzano enormi quantità di energia e spazio. Infatti, 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 nuova generazione, ma i ricercatori non sono stati in grado di superare le inefficienze che consentirebbero alla tecnologia di scalare.

Ora, ricercatori della Northwestern University propongono un nuovo metodo per registrare le informazioni sul DNA che richiede pochi minuti, piuttosto che ore o giorni, completare. 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 del DNA enzimatico, " è stato pubblicato giovedì (30 settembre) nel Giornale della Società Chimica Americana .

L'autore senior del documento, Il professore di ingegneria nordoccidentale Keith E.J. Tio, ha detto 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 comporta un lento, 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 immagazzinare continuamente informazioni".

Tio, professore di ingegneria chimica e biologica alla McCormick School of Engineering, è membro del Centro di Biologia Sintetica, 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 cui completamento può richiedere più di 10 ore.

Il laboratorio di Tyo ha ipotizzato di poter utilizzare un nuovo metodo che hanno chiamato Registrazione non templata sensibile al tempo utilizzando Tdt per i segnali ambientali locali, o TARTARUGHE, sintetizzare DNA completamente nuovo invece di copiarne un modello, effettuare 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, quali variazioni della concentrazione dei metalli, sono registrati dalla polimerasi, fungendo da "nastro adesivo molecolare" e indicando agli scienziati il ​​momento di un cambiamento ambientale. L'uso di biosensori per registrare i cambiamenti nel DNA rappresenta un passo importante nel dimostrare la fattibilità delle tartarughe 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 metodi che un giorno potrebbero permetterci di studiare le interazioni tra milioni di cellule contemporaneamente, "ha detto Namita Bhan, co-primo autore e ricercatore post-dottorato nel laboratorio Tyo. "Non credo che ci sia alcun sistema di registrazione della modulazione enzimatica diretta precedentemente riportato".

Dalle cellule cerebrali all'acqua inquinata

Con un maggiore potenziale di scalabilità e precisione, TURTLES potrebbe offrire la base per strumenti che catapultano in avanti la ricerca sul cervello. Secondo Alec Callisto, anche 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. Inserendo registratori all'interno di tutte le cellule del cervello, gli scienziati potrebbero mappare le risposte agli stimoli con la 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 di poter registrare un intero cervello di scarafaggio contemporaneamente alle tecnologie esistenti, per non parlare delle decine di miliardi di neuroni nel cervello umano, " Disse Callisto. "Quindi è qualcosa che vorremmo davvero accelerare."

Fuori dal corpo, il sistema TURTLES potrebbe anche essere utilizzato 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 applicazioni di dati di archiviazione a lungo termine come l'archiviazione di filmati di sicurezza a circuito chiuso, a cui il team fa riferimento come dati che "scrivi una volta e leggi mai, " ma 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 del magazzino, 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 interessassero al concetto e potessero 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 detto Tyo. "Questo è un passo lungo la strada per raggiungere il nostro obiettivo a lungo termine".