Tổng hợp Enzym: DNA của chúng ta đang trở thành ổ cứng nhỏ nhất thế giới

Các nhà nghiên cứu đề xuất phương pháp ghi dữ liệu vào DNA nhanh hơn, cho thấy nhiều hứa hẹn trong các lĩnh vực lưu trữ dữ liệu kỹ thuật số, ghi lại nơ-ron.

Mã di truyền của chúng tôi lưu trữ dữ liệu hiệu quả hơn hàng triệu lần so với các giải pháp hiện có, vốn tốn kém và sử dụng rất nhiều năng lượng và không gian. Trên thực tế, chúng ta có thể loại bỏ ổ cứng và lưu trữ tất cả dữ liệu kỹ thuật số trên hành tinh trong vòng vài trăm pound DNA.

Sử dụng DNA làm phương tiện lưu trữ dữ liệu mật độ cao có tiềm năng tạo ra những đột phá trong công nghệ ghi âm và cảm biến sinh học cũng như lưu trữ kỹ thuật số thế hệ tiếp theo, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể khắc phục sự kém hiệu quả cho phép công nghệ mở rộng quy mô.

“Bản chất rất tốt trong việc sao chép DNA, nhưng chúng tôi thực sự muốn có thể viết DNA từ đầu”. – Keith Tyo, Phó Giáo sư Kỹ thuật Hóa học và Sinh học

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Northwestern đề xuất một phương pháp mới để ghi thông tin vào DNA, mất vài phút, thay vì vài giờ hoặc vài ngày, để hoàn thành. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một hệ thống enzym mới để tổng hợp DNA ghi lại các tín hiệu môi trường thay đổi nhanh chóng trực tiếp thành chuỗi DNA, một phương pháp mà tác giả cấp cao của bài báo cho biết có thể thay đổi cách các nhà khoa học nghiên cứu và ghi lại các tế bào thần kinh bên trong não.

Nghiên cứu, “Ghi lại các tín hiệu thời gian với độ phân giải phút bằng cách sử dụng tổng hợp DNA Enzym,” được xuất bản vào ngày 30 tháng 9 năm 2021, trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ . Tác giả cấp cao của bài báo, Keith EJ Tyo của Northwestern Engineering, cho biết phòng thí nghiệm của ông quan tâm đến việc tận dụng khả năng tự nhiên của DNA để tạo ra một giải pháp mới để lưu trữ dữ liệu.

Tác giả chính của bài báo, giáo sư kỹ thuật Tây Bắc Keith EJ Tyo, cho biết phòng thí nghiệm của ông quan tâm đến việc tận dụng khả năng tự nhiên của DNA để tạo ra một giải pháp mới để lưu trữ dữ liệu.

Tyo nói: “Bản chất rất tốt trong việc sao chép DNA, nhưng chúng tôi thực sự muốn có thể viết DNA từ đầu. “Cách ex vivo (bên ngoài cơ thể) để làm điều này liên quan đến quá trình tổng hợp hóa học chậm. Phương pháp của chúng tôi là ghi thông tin rẻ hơn nhiều vì enzyme tổng hợp DNA có thể được điều khiển trực tiếp. Các bản ghi nội bào hiện đại thậm chí còn chậm hơn vì chúng đòi hỏi các bước cơ học của protein biểu hiện để phản ứng với các tín hiệu, trái ngược với các enzym của chúng ta, tất cả đều được biểu hiện trước thời gian và có thể liên tục lưu trữ thông tin. “

Tyo, giáo sư về kỹ thuật hóa học và sinh học tại Trường Kỹ thuật McCormick, là thành viên của Trung tâm Sinh học Tổng hợp, và nghiên cứu vi khuẩn và cơ chế của chúng để cảm nhận những thay đổi của môi trường và phản ứng với chúng một cách nhanh chóng.

Bỏ qua biểu hiện protein

Các phương pháp hiện có để ghi dữ liệu phân tử nội bào và dữ liệu kỹ thuật số vào DNA dựa trên quy trình đa phần bổ sung dữ liệu mới vào trình tự DNA hiện có. Để tạo ra một bản ghi chính xác, các nhà nghiên cứu phải kích thích và kìm hãm sự biểu hiện của các protein cụ thể, có thể mất hơn 10 giờ để hoàn thành.

Phòng thí nghiệm Tyo đưa ra giả thuyết rằng họ có thể sử dụng một phương pháp mới mà họ gọi là Ghi âm không phân biệt thời gian nhạy cảm bằng cách sử dụng Tdt cho Tín hiệu môi trường cục bộ, hoặc TURTLES, để tổng hợp DNA hoàn toàn mới thay vì sao chép một khuôn mẫu của nó, giúp ghi nhanh hơn và có độ phân giải cao hơn.

Khi DNA polymerase tiếp tục thêm bazơ, dữ liệu được ghi lại vào mã di truyền trên quy mô vài phút khi những thay đổi trong môi trường tác động đến thành phần của DNA mà nó tổng hợp. Những thay đổi của môi trường, chẳng hạn như sự thay đổi về nồng độ của kim loại, được polymerase ghi lại, hoạt động như một “băng đánh dấu phân tử” và cho các nhà khoa học biết thời điểm thay đổi môi trường. Việc sử dụng cảm biến sinh học để ghi lại những thay đổi trong DNA đại diện cho một bước quan trọng trong việc chứng minh khả năng tồn tại của TURTLES để sử dụng bên trong tế bào và có thể cung cấp cho các nhà nghiên cứu khả năng sử dụng DNA đã ghi để tìm hiểu về cách các tế bào thần kinh giao tiếp với nhau.

“Đây là một bằng chứng thực sự thú vị về khái niệm cho các phương pháp mà một ngày nào đó có thể cho phép chúng ta nghiên cứu sự tương tác giữa hàng triệu tế bào đồng thời,” Namita Bhan, đồng tác giả đầu tiên và một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm Tyo cho biết. “Tôi không nghĩ rằng có bất kỳ hệ thống ghi điều chế enzyme trực tiếp nào được báo cáo trước đây.”

Từ tế bào não đến nước ô nhiễm

Với nhiều tiềm năng hơn về khả năng mở rộng và độ chính xác , TURTLES có thể cung cấp cơ sở cho các công cụ hỗ trợ nghiên cứu não bộ về sau. Theo Alec Callisto, đồng tác giả đầu tiên và nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm Tyo, các nhà nghiên cứu chỉ có thể nghiên cứu một phần nhỏ tế bào thần kinh của não với công nghệ ngày nay, và ngay cả khi đó, những gì họ biết họ làm cũng có giới hạn. Bằng cách đặt máy ghi âm bên trong tất cả các tế bào trong não, các nhà khoa học có thể lập bản đồ phản ứng với các kích thích với độ phân giải đơn bào trên nhiều (triệu) tế bào thần kinh.

Callisto cho biết: “Nếu bạn nhìn vào cách công nghệ hiện tại phát triển theo thời gian, có thể mất nhiều thập kỷ trước khi chúng ta có thể ghi lại toàn bộ não gián đồng thời với các công nghệ hiện có – chứ đừng nói đến hàng chục tỷ tế bào thần kinh trong não người,” Callisto nói. “Vì vậy, đó là điều mà chúng tôi thực sự muốn tăng tốc.”

Bên ngoài cơ thể, hệ thống TURTLES cũng có thể được sử dụng cho nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết sự phát triển bùng nổ về nhu cầu lưu trữ dữ liệu (lên đến 175 zettabyte vào năm 2025).

Nó đặc biệt tốt cho các ứng dụng dữ liệu lưu trữ dài hạn như lưu trữ cảnh bảo mật mạch kín, mà nhóm đề cập đến là dữ liệu mà bạn “viết một lần và không bao giờ đọc”, nhưng cần phải có quyền truy cập trong trường hợp sự cố xảy ra. Với công nghệ được phát triển bởi các kỹ sư, ổ cứng và ổ đĩa lưu giữ nhiều năm kỷ niệm của máy ảnh yêu quý cũng có thể được thay thế bằng các bit DNA.

Bên ngoài lưu trữ, chức năng “băng đánh dấu” có thể được sử dụng như một cảm biến sinh học để theo dõi các chất gây ô nhiễm môi trường, như nồng độ kim loại nặng trong nước uống.

Trong khi phòng thí nghiệm tập trung vào việc vượt ra ngoài bằng chứng về khái niệm trong cả ghi âm kỹ thuật số và di động, nhóm bày tỏ hy vọng rằng nhiều kỹ sư sẽ quan tâm đến khái niệm này và có thể sử dụng nó để ghi lại các tín hiệu quan trọng đối với nghiên cứu của họ.

Tyo nói: “Chúng tôi vẫn đang xây dựng cơ sở hạ tầng bộ gen và kỹ thuật di động mà chúng tôi cần để ghi âm nội bào mạnh mẽ. “Đây là một bước trên con đường đạt được mục tiêu dài hạn của chúng tôi.”

Tham khảo: “Ghi lại các tín hiệu tạm thời với độ phân giải theo phút sử dụng tổng hợp DNA Enzym” của Namita Bhan, Alec Callisto, Jonathan Strutz, Joshua Glaser, Reza Kalhor, Edward S. Boyden, George Church, Konrad Kording và Keith EJ Tyo, 30 tháng 9 năm 2021, Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ .
DOI: 10.1021 / jacs.1c07331

Công việc này được tài trợ bởi hai Viện Y tế Quốc gia (R01MH103910; và UF1NS107697) và Tài trợ Đào tạo NIH (T32GM008449) thông qua Chương trình Đào tạo Công nghệ Sinh học của Đại học Northwestern. Nghiên cứu được hỗ trợ một phần thông qua các nguồn lực tính toán và sự đóng góp của nhân viên được cung cấp cho cơ sở máy tính hiệu suất cao Quest tại Đại học Northwestern, được hỗ trợ bởi Văn phòng Provost, Văn phòng Nghiên cứu và Công nghệ Thông tin Đại học Northwestern. Tất cả việc giải trình tự thế hệ tiếp theo được thực hiện với sự trợ giúp của cơ sở Cốt lõi Trình tự Thế hệ Tiếp theo tại Đại học Illinois ở Chicago. Giải trình tự Sanger được hỗ trợ bởi Cơ sở cốt lõi NUSeq của Đại học Northwestern. Hình ảnh gel được hỗ trợ bởi Cơ sở Vật lý Sinh học Keck của Đại học Northwestern và Quỹ Hỗ trợ của Trung tâm Ung thư (NCI CA060553). Máy chụp ảnh Azure Sapphire của Cơ sở Vật lý Sinh học Keck được tài trợ bởi một khoản tài trợ của NIH (1S10OD026963-01). Việc tinh chế protein được hỗ trợ bởi Lõi sản xuất protein tái tổ hợp của Đại học Northwestern.

Theo Scitechdaily