Quali sfide devono essere superate per rendere i chip a DNA più applicabili come supporti di memorizzazione

Quali sfide devono essere superate per rendere i chip a DNA più applicabili come supporti di memorizzazione

Timestamp: 24 agosto 2023 4:29
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24 ago 2023 (Notizie Nanowerk) La molecola ereditaria del DNA può immagazzinare una grande quantità di informazioni per lunghi periodi di tempo in uno spazio molto piccolo. Da dieci anni gli scienziati perseguono quindi l'obiettivo di sviluppare chip di DNA per la tecnologia informatica, ad esempio per l'archiviazione a lungo termine dei dati. Tali chip sarebbero superiori ai tradizionali chip a base di silicio in termini di densità di archiviazione, longevità e sostenibilità. In un filamento di DNA si trovano quattro elementi costitutivi di base ricorrenti. Una sequenza specifica di questi blocchi può essere utilizzata per codificare le informazioni, proprio come fa la natura. Per costruire un chip di DNA, il DNA corrispondentemente codificato deve essere sintetizzato e stabilizzato. Se funziona bene, le informazioni vengono conservate per molto tempo – i ricercatori presumono diverse migliaia di anni. Le informazioni possono essere recuperate leggendo e decodificando automaticamente la sequenza dei quattro elementi costitutivi di base. Le informazioni possono essere archiviate sotto forma di DNA su chip realizzati in nanocellulosa semiconduttrice Le informazioni possono essere archiviate sotto forma di DNA su chip realizzati in nanocellulosa semiconduttrice. Le proteine ​​controllate dalla luce leggono le informazioni. (Immagine: Università di Würzburg)

Quali sfide devono essere superate

"Il fatto che l'archiviazione digitale dei dati del DNA con elevata capacità e una lunga durata sia fattibile è stato dimostrato più volte negli ultimi anni", afferma il professor Thomas Dandekar, capo della cattedra di bioinformatica presso la Julius-Maximilians-Universität (JMU) di Würzburg. “Ma i costi di archiviazione sono elevati, vicini ai 400,000 dollari per megabyte, e le informazioni archiviate nel DNA possono essere recuperate solo lentamente. Ci vogliono ore o giorni, a seconda della quantità di dati." Queste sfide devono essere superate per realizzare Archiviazione dei dati del DNA più applicabili e commerciabili. Strumenti adatti a questo scopo sono gli enzimi controllati dalla luce e il software di progettazione di reti proteiche. Thomas Dandekar e i membri del suo team Aman Akash ed Elena Bencurova ne discutono in una recente recensione sulla rivista Tendenze in biotecnologia (“Come rendere più applicabile l’archiviazione dei dati del DNA”). Il team di Dandekar è convinto che il DNA abbia un futuro come archivio di dati. Nella rivista, i ricercatori della JMU mostrano come una combinazione di biologia molecolare, nanotecnologia, nuovi polimeri, elettronica e automazione, insieme allo sviluppo sistematico, potrebbero rendere possibile in pochi anni l’archiviazione dei dati sul DNA utile per l’uso quotidiano.

Chip di DNA in nanocellulosa

Al Biocentro JMU, il team di Dandekar sta sviluppando chip di DNA costituiti da semiconduttori prodotti battericamente nanocellulosa. "Con la nostra prova di concetto, possiamo dimostrare come l'attuale tecnologia elettronica e informatica possa essere parzialmente sostituita da componenti biologici molecolari", afferma il professore. In questo modo si potrebbero ottenere sostenibilità, piena riciclabilità ed elevata robustezza anche contro impulsi elettromagnetici o interruzioni di corrente, ma anche un’elevata densità di stoccaggio fino a un miliardo di gigabyte per grammo di DNA. Thomas Dandekar ritiene molto importante lo sviluppo dei chip di DNA: “Dureremo a lungo termine come civiltà solo se faremo il salto in questo nuovo tipo di tecnologia informatica sostenibile che combina la biologia molecolare con l’elettronica e la nuova tecnologia dei polimeri”. Ciò che è importante per l’umanità, ha affermato, è passare a un’economia circolare in armonia con i confini del pianeta e con l’ambiente. “Dobbiamo raggiungere questo obiettivo in 20 o 30 anni. La tecnologia dei chip ne è un esempio importante, ma le tecnologie sostenibili per produrre chip senza rifiuti elettronici e senza inquinamento ambientale non sono ancora mature. Il nostro concetto di chip in nanocellulosa fornisce un prezioso contributo a questo scopo. Nel nuovo documento, abbiamo esaminato criticamente il nostro concetto e lo abbiamo ulteriormente avanzato con le attuali innovazioni della ricerca”.

Ulteriore miglioramento dei supporti di memorizzazione del DNA

Il team di Dandekar sta attualmente lavorando per combinare ancora meglio i chip di DNA costituiti da nanocellulosa semiconduttrice con gli enzimi di progettazione che hanno sviluppato. Anche gli enzimi devono essere ulteriormente migliorati. "In questo modo vogliamo ottenere un controllo sempre migliore del supporto di memorizzazione del DNA ed essere in grado di memorizzarne ancora di più, ma anche risparmiare sui costi e quindi consentire passo dopo passo l'uso pratico come supporto di memorizzazione nella vita di tutti i giorni."

Tre ulteriori pubblicazioni sull'argomento

Bencurova E, Shityakov S, Schaack D, Kaltdorf M, Sarukhanyan E, Hilgarth A, Rath C, Montenegro S, Roth G, Lopez D, Dandekar T. Compositi di nanocellulosa come dispositivi intelligenti con telaio, archiviazione del DNA diretta alla luce, proprietà elettroniche ingegnerizzate e integrazione dei chip. Fronte Bioeng Biotechnol. 2022 agosto 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: strumento di simulazione e progettazione di reti proteiche. Comput Struct Biotechnol J. 2023 aprile 26;21:2767-2779. doi: 10.1016/j.csbj.2023.04.023 Bencurova E, Akash A, Dobson RCJ, Dandekar T. Conservazione del DNA: dalla biologia naturale alla biologia sintetica. Comput Struct Biotechnol J. 2023 febbraio 2;21:1227-1235. doi: 10.1016/j.csbj.2023.01.045

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