Vår genetiska kod är miljontals gånger effektivare på att lagra data än befintliga lösningar, som är kostsamma och använder enorma mängder energi och utrymme. Faktiskt, vi skulle kunna bli av med hårddiskar och lagra all digital data på planeten inom ett par hundra pund DNA.

Att använda DNA som ett datalagringsmedium med hög densitet har potentialen att skapa genombrott inom biosensing och bioinspelningsteknik och nästa generations digital lagring, men forskare har inte kunnat övervinna ineffektivitet som skulle tillåta tekniken att skala.

Nu, forskare vid Northwestern University föreslår en ny metod för att registrera information till DNA som tar minuter, snarare än timmar eller dagar, att slutföra. Teamet använde ett nytt enzymsystem för att syntetisera DNA som registrerar snabbt föränderliga miljösignaler direkt till DNA-sekvenser, en metod som tidningens seniorförfattare sa kan förändra hur forskare studerar och registrerar neuroner inuti hjärnan.

Forskningen, "Spela in temporära signaler med minutupplösning med hjälp av enzymatisk DNA-syntes, " publicerades torsdagen (30 september) i Journal of the American Chemical Society .

Tidningens seniorförfattare, Northwestern ingenjörsprofessor Keith E.J. Tyo, sa att hans labb var intresserade av att utnyttja DNA:s naturliga förmågor för att skapa en ny lösning för att lagra data.

"Naturen är bra på att kopiera DNA, men vi ville verkligen kunna skriva DNA från grunden, Tyo sa. "Ex vivo (utanför kroppen) sättet att göra detta på innebär en långsam, kemisk syntes. Vår metod är mycket billigare att skriva information eftersom enzymet som syntetiserar DNA:t kan manipuleras direkt. Toppmoderna intracellulära inspelningar är ännu långsammare eftersom de kräver de mekaniska stegen av proteinuttryck som svar på signaler, i motsats till våra enzymer som alla uttrycks i förväg och kan kontinuerligt lagra information."

Tyo, en professor i kemi och biologisk teknik vid McCormick School of Engineering, är medlem i Center for Synthetic Biology, och studerar mikrober och deras mekanismer för att känna av miljöförändringar och reagera på dem snabbt.

Förbigå proteinuttryck

Befintliga metoder för att registrera intracellulära molekylära och digitala data till DNA förlitar sig på flerdelade processer som lägger till nya data till befintliga DNA-sekvenser. För att producera en korrekt inspelning, forskare måste stimulera och undertrycka uttryck av specifika proteiner, som kan ta över 10 timmar att slutföra.

Tyo-labbet antog att de kunde använda en ny metod som de kallade Time-sensitive Untemplated Recording using Tdt for Local Environmental Signals, eller sköldpaddor, att syntetisera helt nytt DNA istället för att kopiera en mall av det, gör en snabbare och högre upplösning inspelning.

När DNA-polymeraset fortsätter att lägga till baser, data registreras i den genetiska koden på en minutskala eftersom förändringar i miljön påverkar sammansättningen av det DNA som det syntetiseras. Miljöförändringarna, såsom förändringar i koncentrationen av metaller, registreras av polymeraset, fungerar som ett "molekylärt tickerband" och indikerar för forskarna tidpunkten för en miljöförändring. Att använda biosensorer för att registrera förändringar i DNA representerar ett stort steg för att bevisa TURTLES livsduglighet för användning inuti celler, och skulle kunna ge forskare möjligheten att använda inspelat DNA för att lära sig om hur nervceller kommunicerar med varandra.

"Det här är ett riktigt spännande proof of concept för metoder som en dag kan låta oss studera interaktioner mellan miljontals celler samtidigt, sa Namita Bhan, medförsta författare och postdoktor i Tyo-labbet. "Jag tror inte att det finns något tidigare rapporterat inspelningssystem för direkt enzymmodulering."

Från hjärnceller till förorenat vatten

Med större potential för skalbarhet och noggrannhet, TURTLES skulle kunna erbjuda grunden för verktyg som slungar hjärnforskning framåt. Enligt Alec Callisto, också en första författare och doktorand i Tyo-labbet, forskare kan bara studera en liten bråkdel av hjärnans nervceller med dagens teknik, och även då, det finns gränser för vad de vet att de gör. Genom att placera brännare inuti alla celler i hjärnan, forskare kunde kartlägga svar på stimuli med encellsupplösning över många (miljoner) neuroner.

"Om du tittar på hur nuvarande teknik skalar över tiden, det kan dröja årtionden innan vi ens kan spela in en hel kackerlackahjärna samtidigt med befintlig teknik – än mindre tiotals miljarder neuroner i mänskliga hjärnor, " sa Callisto. "Så det är något vi verkligen skulle vilja accelerera."

Utanför kroppen, TURTLES-systemet skulle också kunna användas för en mängd olika lösningar för att möta den explosiva tillväxten av datalagringsbehov (upp till 175 zettabyte år 2025).

Det är särskilt bra för långsiktiga arkivdataapplikationer som lagring av säkerhetsfilmer med slutna kretsar, som teamet refererar till som data som du "skriver en gång och aldrig läser, " men måste vara tillgänglig i händelse av att en incident inträffar. Med teknik utvecklad av ingenjörer, hårddiskar och hårddiskar som har många år av älskade kameraminnen kan också ersättas med bitar av DNA.

Utanför förråd, funktionen "ticker tape" kan användas som en biosensor för att övervaka miljöföroreningar, som tungmetallkoncentrationen i dricksvatten.

Medan labbet fokuserar på att gå bortom ett proof of concept i både digital och cellulär inspelning, teamet uttryckte hopp om att fler ingenjörer skulle intressera sig för konceptet och kunna använda det för att spela in signaler som är viktiga för deras forskning.

"Vi bygger fortfarande ut den genomiska infrastrukturen och cellulära tekniker vi behöver för robust intracellulär inspelning, Tyo sa. "Detta är ett steg på vägen för att nå vårt långsiktiga mål."