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我们的DNA正在成为世界上最小的硬盘

与现有解决方案相比,我们的遗传密码在存储数据方面的效率高出数百万倍,而现有解决方案既昂贵又消耗大量能源和空间。事实上,我们可以摆脱硬盘驱动器并将地球上的所有数字数据存储在几百磅的DNA中。

使用DNA作为高密度数据存储介质具有在生物传感和生物记录技术以及下一代数字存储方面取得突破的潜力,但研究人员未能克服低效问题,从而使该技术能够扩展。

现在,西北大学的研究人员提出了一种将信息记录到DNA的新方法,该方法需要几分钟,而不是几小时或几天才能完成。该团队使用一种新的酶系统来合成DNA,该系统将快速变化的环境信号直接记录到DNA序列中,该论文的资深作者表示,这种方法可以改变科学家研究和记录大脑内神经元的方式。

这项名为“使用酶促DNA合成以分钟分辨率记录时间信号”的研究于周四(9月30日)发表在《化学学会杂志》上。

该论文的资深作者、西北工程教授KeithEJTyo表示,他的实验室对利用DNA的天然能力来创建存储数据的新解决方案很感兴趣。

“大自然擅长复制DNA,但我们真的希望能够从头开始编写DNA,”Tyo说。“体外(体外)方法涉及缓慢的化学合成。我们的方法写入信息要便宜得多,因为合成DNA的酶可以直接操作。最先进的细胞内记录是甚至更慢,因为它们需要蛋白质表达的机械步骤来响应信号,而不是我们的酶都提前表达并可以连续存储信息。”

Tyo是麦考密克工程学院化学和生物工程教授,是合成生物学中心的成员,研究微生物及其感知环境变化和快速响应的机制。

绕过蛋白质表达

将细胞内分子和数字数据记录到DNA的现有方法依赖于将新数据添加到现有DNA序列的多部分过程。为了产生准确的记录,研究人员必须刺激和抑制特定蛋白质的表达,这可能需要10多个小时才能完成。

Tyo实验室假设他们可以使用一种新方法,称为使用Tdt进行局部环境信号的时间敏感无模板记录,或TURTLES,以合成全新的DNA,而不是复制它的模板,从而进行更快、更高分辨率的记录。

随着DNA聚合酶继续添加碱基,随着环境的变化影响它合成的DNA的组成,数据会以分钟为单位记录到遗传密码中。环境变化,例如金属浓度的变化,由聚合酶记录,充当“分子自动收报机”并向科学家指示环境变化的时间。使用生物传感器记录DNA的变化代表了证明海龟在细胞内使用的可行性的重要一步,并且可以使研究人员能够使用记录的DNA来了解神经元如何相互交流。

Tyo实验室的共同第一作者和博士后研究员NamitaBhan说:“这是一个非常令人兴奋的方法概念证明,有朝一日可以让我们同时研究数百万个细胞之间的相互作用。”“我认为之前没有任何报道过的直接酶调节记录系统。”

从脑细胞到污水

TURTLES具有更大的可扩展性和准确性潜力,可以为推动大脑研究向前发展的工具提供基础。根据Tyo实验室的共同第一作者和研究生亚历克·卡利斯托(AlecCallisto)的说法,研究人员只能使用当今的技术研究大脑神经元的一小部分,即便如此,他们所知道的也有限。通过将记录器放置在大脑中的所有细胞内,科学家们可以在许多(百万)个神经元中以单细胞分辨率绘制对刺激的反应。

“如果你看看当前的技术如何随着时间的推移而扩展,我们甚至可能需要几十年才能用现有技术同时记录整个蟑螂大脑——更不用说人类大脑中数百亿个神经元了,”卡利斯托说。“所以这是我们非常想加速的事情。”

在身体之外,TURTLES系统还可用于各种解决方案,以满足数据存储需求的爆炸性增长(到2025年将达到175泽字节)。

它特别适用于长期存档数据应用程序,例如存储闭路安全录像,团队将其称为“一次写入永不读取”的数据,但需要在发生事件时可以访问。借助工程师开发的技术,保存多年心爱相机记忆的硬盘驱动器和磁盘驱动器也可以被DNA片段所取代。

在存储之外,“自动收报机”功能可用作生物传感器来监测环境污染物,如饮用水中的重金属浓度。

虽然该实验室专注于超越数字和蜂窝记录的概念验证,但该团队表示希望更多工程师对该概念感兴趣,并能够使用它来记录对他们的研究很重要的信号。

“我们仍在构建强大的细胞内记录所需的基因组基础设施和细胞技术,”Tyo说。“这是朝着我们的长期目标迈出的一步。”

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