Ett dubbelsträngat DNA-fragment. Kredit:Vcpmartin/Wikimedia/ CC BY-SA 4.0
Föreställ dig Bachs "Cellosvit nr 1" spelad på en DNA-sträng.
Detta scenario är inte så omöjligt som det verkar. För liten för att motstå ett rytmiskt trumf eller glidande bågsträng, är DNA ett kraftpaket för att lagra ljudfiler och alla typer av andra media.
"DNA är naturens ursprungliga datalagringssystem. Vi kan använda det för att lagra alla typer av data:bilder, video, musik - vad som helst", säger Kasra Tabatabaei, forskare vid Beckman Institute for Advanced Science and Technology och medförfattare på denna studie.
Att utöka DNA:s molekylära sammansättning och utveckla en exakt ny sekvenseringsmetod gjorde det möjligt för ett multiinstitutionellt team att förvandla dubbelspiralen till en robust, hållbar datalagringsplattform.
Teamets tidning dök upp i Nano Letters i februari 2022.
I en tid av digital information känner alla som är modiga nog att navigera i de dagliga nyheterna att det globala arkivet blir tyngre för varje dag. I allt högre grad digitaliseras pappersfiler för att spara utrymme och skydda information från naturkatastrofer.
Från forskare till påverkare på sociala medier, alla som har information att lagra kan dra nytta av en säker, hållbar datalåsbox – och den dubbla helixen passar.
"DNA är ett av de bästa alternativen, om inte det bästa alternativet, för att lagra arkivdata speciellt", säger Chao Pan, doktorand vid University of Illinois Urbana-Champaign och medförfattare till denna studie.
Dess livslängd konkurrerar bara med hållbarhet, DNA är designat för att klara jordens tuffaste förhållanden – ibland i tiotusentals år – och förbli en livskraftig datakälla. Forskare kan sekvensera fossiliserade strängar för att avslöja genetiska historier och blåsa liv i sedan länge förlorade landskap.
Trots sin ringa storlek är DNA lite som Dr. Whos ökända polislåda:större på insidan än det ser ut.
"Varje dag genereras flera petabyte data på internet. Endast ett gram DNA skulle räcka för att lagra den datan. Så tätt är DNA som lagringsmedium", säger Tabatabaei, som också är femteårs doktor. D. student.
En annan viktig aspekt av DNA är dess naturliga överflöd och nästan oändliga förnybarhet, en egenskap som inte delas av det mest avancerade datalagringssystemet på marknaden idag:kiselmikrochips, som ofta cirkulerar i bara decennier innan en ceremoniell begravning i en hög av deponerade e- -avfall.
"I en tid då vi står inför aldrig tidigare skådade klimatutmaningar kan betydelsen av hållbar lagringsteknik inte överskattas. Nya, gröna tekniker för DNA-inspelning växer fram som kommer att göra molekylär lagring ännu viktigare i framtiden", säger Olgica Milenkovic, Franklin W. Woeltge professor i elektro- och datateknik och en co-PI på studien.
Med tanke på framtiden för datalagring undersökte det tvärvetenskapliga teamet DNA:s tusenåriga MO. Sedan lade forskarna till sin egen 2000-talsvändning.
I naturen innehåller varje DNA-sträng fyra kemikalier – adenin, guanin, cytosin och tymin – som ofta hänvisas till med initialerna A, G, C och T. De arrangerar och omarrangerar sig längs dubbelhelixen till kombinationer som forskare kan avkoda , eller sekvens, för att skapa mening.
The researchers expanded DNA's already broad capacity for information storage by adding seven synthetic nucleobases to the existing four-letter lineup.
"Imagine the English alphabet. If you only had four letters to use, you could only create so many words. If you had the full alphabet, you could produce limitless word combinations. That's the same with DNA. Instead of converting zeroes and ones to A, G, C, and T, we can convert zeroes and ones to A, G, C, T, and the seven new letters in the storage alphabet," Tabatabaei said.
Because this team is the first to use chemically modified nucleotides for information storage in DNA, members innovated around a unique challenge:Not all current technology is capable of interpreting chemically modified DNA strands. To solve this problem, they combined machine learning and artificial intelligence to develop a first-of-its-kind DNA sequence readout processing method.
Their solution can discern modified chemicals from natural ones, and differentiate each of the seven new molecules from one another.
"We tried 77 different combinations of the 11 nucleotides, and our method was able to differentiate each of them perfectly," Pan said. "The deep learning framework as part of our method to identify different nucleotides is universal, which enables the generalizability of our approach to many other applications."
This letter-perfect translation comes courtesy of nanopores:proteins with an opening in the middle through which a DNA strand can easily pass. Remarkably, the team found that nanopores can detect and distinguish each individual monomer unit along the DNA strand—whether the units have natural or chemical origins.
"This work provides an exciting proof-of-principle demonstration of extending macromolecular data storage to non-natural chemistries, which hold the potential to drastically increase storage density in non-traditional storage media," said Charles Schroeder, the James Economy Professor of Materials Science and Engineering and a co-PI on this study.
DNA literally made history by storing genetic information. By the looks of this study, the future of data storage is just as double-helical. + Utforska vidare
