Ποιες προκλήσεις πρέπει να ξεπεραστούν για να γίνουν τα τσιπ DNA πιο εφαρμόσιμα ως μέσα αποθήκευσης

Ποιες προκλήσεις πρέπει να ξεπεραστούν για να γίνουν τα τσιπ DNA πιο εφαρμόσιμα ως μέσα αποθήκευσης

Χρονική σήμανση: 24 Αυγούστου 2023 4:29 π.μ.
Κόμβος πηγής: 2845390
24 Αυγούστου 2023 (Ειδήσεις Nanowerk) Το κληρονομικό μόριο DNA μπορεί να αποθηκεύσει πολλές πληροφορίες για μεγάλες χρονικές περιόδους σε έναν πολύ μικρό χώρο. Για αρκετά δέκα χρόνια, οι επιστήμονες επιδιώκουν επομένως τον στόχο της ανάπτυξης τσιπ DNA για την τεχνολογία υπολογιστών, για παράδειγμα για τη μακροπρόθεσμη αρχειοθέτηση δεδομένων. Τέτοια τσιπ θα ήταν ανώτερα από τα συμβατικά τσιπ με βάση το πυρίτιο όσον αφορά την πυκνότητα αποθήκευσης, τη μακροζωία και τη βιωσιμότητα. Τέσσερα επαναλαμβανόμενα βασικά δομικά στοιχεία βρίσκονται σε έναν κλώνο DNA. Μια συγκεκριμένη ακολουθία αυτών των μπλοκ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κωδικοποίηση πληροφοριών, όπως ακριβώς κάνει η φύση. Για να κατασκευαστεί ένα τσιπ DNA, το αντίστοιχο κωδικοποιημένο DNA πρέπει να συντεθεί και να σταθεροποιηθεί. Εάν αυτό λειτουργεί καλά, οι πληροφορίες διατηρούνται για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα – οι ερευνητές υποθέτουν αρκετές χιλιάδες χρόνια. Οι πληροφορίες μπορούν να ανακτηθούν με αυτόματη ανάγνωση και αποκωδικοποίηση της ακολουθίας των τεσσάρων βασικών δομικών στοιχείων. Οι πληροφορίες μπορούν να αποθηκευτούν με τη μορφή DNA σε τσιπ από ημιαγώγιμη νανοκυτταρίνη Οι πληροφορίες μπορούν να αποθηκευτούν με τη μορφή DNA σε τσιπ από ημιαγώγιμη νανοκυτταρίνη. Οι ελεγχόμενες από το φως πρωτεΐνες διαβάζουν τις πληροφορίες. (Εικόνα: Πανεπιστήμιο του Würzburg)

Ποιες προκλήσεις πρέπει να ξεπεραστούν

«Το γεγονός ότι η αποθήκευση ψηφιακών δεδομένων DNA με υψηλή χωρητικότητα και μεγάλη διάρκεια ζωής είναι εφικτή έχει αποδειχθεί πολλές φορές τα τελευταία χρόνια», λέει ο καθηγητής Thomas Dandekar, επικεφαλής της Έδρας Βιοπληροφορικής στο Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. «Αλλά το κόστος αποθήκευσης είναι υψηλό, κοντά στα 400,000 δολάρια ΗΠΑ ανά megabyte, και οι πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στο DNA μπορούν να ανακτηθούν μόνο αργά. Χρειάζονται ώρες έως μέρες, ανάλογα με τον όγκο των δεδομένων." Αυτές οι προκλήσεις πρέπει να ξεπεραστούν για να γίνουν Αποθήκευση δεδομένων DNA πιο εφαρμόσιμο και εμπορεύσιμο. Κατάλληλα εργαλεία για αυτό είναι ένζυμα ελεγχόμενα από το φως και λογισμικό σχεδίασης δικτύου πρωτεϊνών. Ο Thomas Dandekar και τα μέλη της ομάδας προέδρου του Aman Akash και Elena Bencurova συζητούν αυτό σε μια πρόσφατη ανασκόπηση στο περιοδικό Τάσεις στη βιοτεχνολογία («Πώς να κάνετε την αποθήκευση δεδομένων DNA πιο εφαρμόσιμη»). Η ομάδα του Dandekar είναι πεπεισμένη ότι το DNA έχει μέλλον ως αποθήκευση δεδομένων. Στο περιοδικό, οι ερευνητές του JMU δείχνουν πώς ένας συνδυασμός μοριακής βιολογίας, νανοτεχνολογία, τα νέα πολυμερή, τα ηλεκτρονικά και ο αυτοματισμός, σε συνδυασμό με τη συστηματική ανάπτυξη, θα μπορούσαν να καταστήσουν εφικτή την αποθήκευση δεδομένων DNA χρήσιμη για καθημερινή χρήση σε λίγα χρόνια.

Τσιπ DNA από νανοκυτταρίνη

Στο JMU Biocentre, η ομάδα του Dandekar αναπτύσσει τσιπ DNA από ημιαγώγιμα, βακτηριακά παραγόμενα νανοκυτταρίνη. «Με την απόδειξη της ιδέας μας, μπορούμε να δείξουμε πώς η τρέχουσα ηλεκτρονική και η τεχνολογία υπολογιστών μπορούν να αντικατασταθούν εν μέρει από μοριακά βιολογικά συστατικά», λέει ο καθηγητής. Με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούσε να επιτευχθεί βιωσιμότητα, πλήρης ανακυκλωσιμότητα και υψηλή στιβαρότητα ακόμη και έναντι ηλεκτρομαγνητικών παλμών ή διακοπής ρεύματος, αλλά και υψηλή πυκνότητα αποθήκευσης έως και ένα δισεκατομμύριο gigabyte ανά γραμμάριο DNA. Ο Thomas Dandekar αξιολογεί την ανάπτυξη των τσιπ DNA ως πολύ σχετική: «Θα διαρκέσουμε ως πολιτισμός μακροπρόθεσμα μόνο εάν κάνουμε το άλμα σε αυτόν τον νέο τύπο βιώσιμης τεχνολογίας υπολογιστών που συνδυάζει τη μοριακή βιολογία με την ηλεκτρονική και τη νέα τεχνολογία πολυμερών». Αυτό που είναι σημαντικό για την ανθρωπότητα, είπε, είναι να προχωρήσουμε σε μια κυκλική οικονομία σε αρμονία με τα πλανητικά όρια και το περιβάλλον. «Πρέπει να το πετύχουμε αυτό σε 20 με 30 χρόνια. Η τεχνολογία τσιπ είναι ένα σημαντικό παράδειγμα αυτού, αλλά οι βιώσιμες τεχνολογίες για την παραγωγή τσιπ χωρίς ηλεκτρονικά απόβλητα και περιβαλλοντική ρύπανση δεν είναι ακόμη ώριμες. Η ιδέα μας για τσιπ νανοκυτταρίνης συμβάλλει πολύτιμη σε αυτό. Στη νέα εργασία, εξετάσαμε κριτικά την ιδέα μας και την προωθήσαμε περαιτέρω με τις τρέχουσες καινοτομίες από την έρευνα.»

Περαιτέρω βελτίωση των μέσων αποθήκευσης DNA

Η ομάδα του Dandekar εργάζεται επί του παρόντος για να συνδυάσει ακόμη καλύτερα τα τσιπ DNA από ημιαγώγιμη νανοκυτταρίνη με τα ένζυμα σχεδιαστών που έχουν αναπτύξει. Τα ένζυμα πρέπει επίσης να βελτιωθούν περαιτέρω. «Με αυτόν τον τρόπο, θέλουμε να επιτύχουμε καλύτερο και καλύτερο έλεγχο του μέσου αποθήκευσης DNA και να μπορούμε να αποθηκεύουμε ακόμη περισσότερα σε αυτό, αλλά και να εξοικονομούμε κόστος και έτσι βήμα προς βήμα να επιτρέψουμε την πρακτική χρήση ως μέσο αποθήκευσης στην καθημερινή ζωή».

Τρεις ακόμη δημοσιεύσεις για το θέμα

Bencurova E, Shityakov S, Schaack D, Kaltdorf M, Sarukhanyan E, Hilgarth A, Rath C, Montenegro S, Roth G, Lopez D, Dandekar T. Nanocellulose Composites as Smart Devices With Chassis, Light-Directed DNA Storage, Engineered Electronic Properties και Ενσωμάτωση Chip. Εμπρός Bioeng Biotechnol. 2022 Αυγούστου 8, 10:869111. doi: 10.3389/fbioe.2022.869111 Salihoglu R, Srivastava M, Liang C, Schilling K, Szalay A, Bencurova E, Dandekar T. PRO-Simat: Protein network simulation and design tool. Comput Struc Biotechnol J. 2023 Απρ 26, 21:2767-2779. doi: 10.1016/j.csbj.2023.04.023 Bencurova E, Akash A, Dobson RCJ, Dandekar T. αποθήκευση DNA-από τη φυσική βιολογία στη συνθετική βιολογία. Comput Struc Biotechnol J. 2023 Φεβ 2; 21:1227-1235. doi: 10.1016/j.csbj.2023.01.045

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Νανοχόκ