Nuestro código genético es millones de veces más eficiente para almacenar datos que las soluciones existentes, que son costosos y consumen inmensas cantidades de energía y espacio. De hecho, podríamos deshacernos de los discos duros y almacenar todos los datos digitales del planeta en un par de cientos de libras de ADN.

El uso del ADN como medio de almacenamiento de datos de alta densidad tiene el potencial de forjar avances en la tecnología de biodetección y biograbación y el almacenamiento digital de próxima generación. pero los investigadores no han podido superar las ineficiencias que permitirían escalar la tecnología.

Ahora, investigadores de la Universidad Northwestern proponen un nuevo método para registrar información en el ADN que lleva minutos, en lugar de horas o días, completar. El equipo utilizó un sistema enzimático novedoso para sintetizar ADN que registra señales ambientales que cambian rápidamente directamente en secuencias de ADN. un método que, según el autor principal del artículo, podría cambiar la forma en que los científicos estudian y registran las neuronas dentro del cerebro.

La investigación, "Grabación de señales temporales con resolución de minutos mediante síntesis enzimática de ADN, "se publicó el jueves (30 de septiembre) en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

El autor principal del artículo, El profesor de ingeniería del noroeste, Keith E.J. Tyo, dijo que su laboratorio estaba interesado en aprovechar las capacidades naturales del ADN para crear una nueva solución para almacenar datos.

"La naturaleza es buena copiando ADN, pero realmente queríamos poder escribir ADN desde cero, ", Dijo Tyo." La forma ex vivo (fuera del cuerpo) de hacer esto implica una síntesis química. Nuestro método es mucho más económico para escribir información porque la enzima que sintetiza el ADN puede manipularse directamente. Los registros intracelulares de última generación son incluso más lentos porque requieren los pasos mecánicos de la expresión de proteínas en respuesta a las señales, a diferencia de nuestras enzimas, que se expresan todas con anticipación y pueden almacenar información de forma continua ".

Tyo, profesor de ingeniería química y biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick, es miembro del Centro de Biología Sintética, y estudia los microbios y sus mecanismos para detectar cambios ambientales y responder a ellos rápidamente.

Evitando la expresión de proteínas

Los métodos existentes para registrar datos moleculares y digitales intracelulares en el ADN se basan en procesos de varias partes que agregan nuevos datos a las secuencias de ADN existentes. Para producir una grabación precisa, los investigadores deben estimular y reprimir la expresión de proteínas específicas, que puede tardar más de 10 horas en completarse.

El laboratorio de Tyo planteó la hipótesis de que podrían usar un nuevo método al que llamaron Grabación sin plantilla sensible al tiempo utilizando Tdt para señales ambientales locales, o TORTUGAS, para sintetizar ADN completamente nuevo en lugar de copiar una plantilla del mismo, haciendo una grabación más rápida y de mayor resolución.

A medida que la ADN polimerasa continúa agregando bases, los datos se registran en el código genético en una escala de minutos a medida que los cambios en el medio ambiente afectan la composición del ADN que sintetiza. Los cambios ambientales, como cambios en la concentración de metales, son registrados por la polimerasa, actuando como una "cinta de teletipo molecular" e indicando a los científicos el momento de un cambio ambiental. El uso de biosensores para registrar cambios en el ADN representa un paso importante para demostrar la viabilidad de las TORTUGAS para su uso dentro de las células. y podría dar a los investigadores la capacidad de utilizar ADN registrado para aprender cómo se comunican las neuronas entre sí.

"Esta es una prueba de concepto realmente emocionante para métodos que algún día podrían permitirnos estudiar las interacciones entre millones de células simultáneamente, "dijo Namita Bhan, co-primer autor e investigador postdoctoral en el laboratorio Tyo. "No creo que haya ningún sistema de registro de modulación enzimática directa previamente informado".

De las células cerebrales al agua contaminada

Con más potencial de escalabilidad y precisión, TORTUGAS podría ofrecer la base para herramientas que catapulten la investigación del cerebro hacia adelante. Según Alec Callisto, también co-primer autor y estudiante de posgrado en el laboratorio de Tyo, los investigadores solo pueden estudiar una pequeña fracción de las neuronas del cerebro con la tecnología actual, y aún entonces, hay límites en lo que saben que hacen. Al colocar grabadoras dentro de todas las células del cerebro, los científicos podrían mapear las respuestas a los estímulos con resolución unicelular en muchas (millones) de neuronas.

"Si observa cómo la tecnología actual se escala con el tiempo, podrían pasar décadas antes de que podamos registrar todo el cerebro de una cucaracha simultáneamente con las tecnologías existentes, y mucho menos las decenas de miles de millones de neuronas en los cerebros humanos, "Dijo Callisto." Así que eso es algo que realmente nos gustaría acelerar ".

Fuera del cuerpo El sistema TORTUGAS también podría usarse para una variedad de soluciones para abordar el crecimiento explosivo en las necesidades de almacenamiento de datos (hasta 175 zettabytes para 2025).

Es particularmente bueno para aplicaciones de datos de archivo a largo plazo, como almacenar imágenes de seguridad de circuito cerrado, a los que el equipo se refiere como datos que "escribes una vez y nunca lees, "pero deben tener acceso en caso de que ocurra un incidente. Con la tecnología desarrollada por ingenieros, Los discos duros y las unidades de disco que guardan años de amadas memorias de cámaras también podrían ser reemplazadas por fragmentos de ADN.

Fuera del almacenamiento, la función "ticker tape" podría utilizarse como biosensor para controlar los contaminantes ambientales, como la concentración de metales pesados ​​en el agua potable.

Si bien el laboratorio se enfoca en ir más allá de una prueba de concepto tanto en la grabación digital como en la celular, el equipo expresó la esperanza de que más ingenieros se interesen por el concepto y puedan utilizarlo para registrar señales importantes para su investigación.

"Todavía estamos construyendo la infraestructura genómica y las técnicas celulares que necesitamos para una grabación intracelular sólida, ", Dijo Tyo." Este es un paso en el camino hacia nuestro objetivo a largo plazo ".