Jakie wyzwania należy pokonać, aby chipy DNA miały większe zastosowanie jako nośniki danych?

Jakie wyzwania należy pokonać, aby chipy DNA miały większe zastosowanie jako nośniki danych?

Znacznik czasu: 24 sierpnia 2023 4:29
Węzeł źródłowy: 2845390
24 sierpnia 2023 (Wiadomości Nanowerk) Dziedziczna cząsteczka DNA może przechowywać wiele informacji przez długi czas na bardzo małej przestrzeni. Dlatego od dobrych dziesięciu lat naukowcy dążą do opracowania chipów DNA do zastosowań w technologii komputerowej, na przykład do długoterminowej archiwizacji danych. Takie chipy byłyby lepsze od konwencjonalnych chipów na bazie krzemu pod względem gęstości przechowywania, trwałości i trwałości. W nici DNA znajdują się cztery powtarzające się podstawowe elementy budulcowe. Do kodowania informacji można wykorzystać określoną sekwencję tych bloków, tak jak robi to natura. Aby zbudować chip DNA, należy zsyntetyzować i ustabilizować odpowiednio zakodowany DNA. Jeśli to się sprawdzi, informacja zachowa się bardzo długo – badacze zakładają, że kilka tysięcy lat. Informacje można uzyskać poprzez automatyczny odczyt i dekodowanie sekwencji czterech podstawowych elementów składowych. Informacje mogą być przechowywane w postaci DNA na chipach wykonanych z półprzewodnikowej nanocelulozy Informacje mogą być przechowywane w postaci DNA na chipach wykonanych z półprzewodnikowej nanocelulozy. Białka kontrolowane światłem odczytują informacje. (Zdjęcie: Uniwersytet w Würzburgu)

Jakie wyzwania trzeba pokonać

„W ostatnich latach kilkakrotnie wykazano, że cyfrowe przechowywanie danych DNA o dużej pojemności i długim okresie życia jest możliwe” – mówi profesor Thomas Dandekar, kierownik katedry bioinformatyki na Julius-Maximilians-Universität (JMU) w Würzburgu. „Jednak koszty przechowywania są wysokie, wynoszą blisko 400,000 XNUMX dolarów za megabajt, a informacje przechowywane w DNA można odzyskać jedynie powoli. Zajmuje to od kilku godzin do kilku dni, w zależności od ilości danych”. Aby móc sprostać tym wyzwaniom, należy je pokonać Przechowywanie danych DNA bardziej przydatne i rynkowe. Odpowiednimi narzędziami do tego celu są enzymy kontrolowane światłem i oprogramowanie do projektowania sieci białek. Thomas Dandekar i członkowie jego zespołu przewodniczącego Aman Akash i Elena Bencurova omawiają tę kwestię w niedawnej recenzji opublikowanej w czasopiśmie Trendy w biotechnologii („Jak zwiększyć przydatność przechowywania danych DNA”). Zespół Dandekara jest przekonany, że DNA ma przyszłość jako magazyn danych. W czasopiśmie badacze z JMU pokazują, jak połączenie biologii molekularnej, nanotechnologia, nowatorskie polimery, elektronika i automatyzacja, w połączeniu z systematycznym rozwojem, mogą za kilka lat umożliwić przechowywanie danych DNA przydatnych w codziennym użytku.

Chipy DNA wykonane z nanocelulozy

W JMU Biocentre zespół Dandekara opracowuje chipy DNA wykonane z półprzewodników wytwarzanych przez bakterie nanoceluloza. „Dzięki naszemu weryfikacji koncepcji możemy pokazać, w jaki sposób obecną elektronikę i technologię komputerową można częściowo zastąpić komponentami biologii molekularnej” – mówi profesor. W ten sposób można osiągnąć zrównoważony rozwój, pełną zdolność do recyklingu i wysoką odporność nawet na impulsy elektromagnetyczne lub awarie zasilania, ale także wysoką gęstość przechowywania sięgającą miliarda gigabajtów na gram DNA. Thomas Dandekar uważa rozwój chipów DNA za niezwykle istotny: „Przetrwamy jako cywilizacja w dłuższej perspektywie tylko wtedy, gdy dokonamy skoku w kierunku nowego rodzaju zrównoważonej technologii komputerowej, łączącej biologię molekularną z elektroniką i nową technologią polimerową”. Powiedział, że dla ludzkości ważne jest przejście na gospodarkę o obiegu zamkniętym w harmonii z granicami planety i środowiskiem. „Musimy to osiągnąć w ciągu 20–30 lat. Technologia chipów jest tego ważnym przykładem, ale zrównoważone technologie umożliwiające produkcję chipów bez elektroodpadów i zanieczyszczenia środowiska nie są jeszcze dojrzałe. Nasza koncepcja chipów nanocelulozowych wnosi do tego cenny wkład. W nowym artykule krytycznie sprawdziliśmy naszą koncepcję i udoskonaliliśmy ją, korzystając z aktualnych innowacji wynikających z badań.

Dalsze udoskonalanie nośników do przechowywania DNA

Zespół Dandekara pracuje obecnie nad jeszcze lepszym połączeniem chipów DNA wykonanych z półprzewodnikowej nanocelulozy z opracowanymi przez siebie designerskimi enzymami. Enzymy również wymagają dalszego udoskonalenia. „Chcemy w ten sposób uzyskiwać coraz lepszą kontrolę nad nośnikiem DNA i móc przechowywać na nim jeszcze więcej, ale jednocześnie oszczędzać koszty i dzięki temu krok po kroku umożliwiać praktyczne wykorzystanie nośnika w życiu codziennym.”

Trzy kolejne publikacje na ten temat

Bencurova E, Shityakov S, Schaack D, Kaltdorf M, Sarukhanyan E, Hilgarth A, Rath C, Montenegro S, Roth G, Lopez D, Dandekar T. Kompozyty nanocelulozowe jako inteligentne urządzenia z obudową, magazynowanie DNA kierowane światłem, zaprojektowane właściwości elektroniczne i integracja chipów. Przód Bioeng Biotechnol. 2022 sierpnia 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: Narzędzie do symulacji i projektowania sieci białkowej. Comput Struct Biotechnologia J. 2023 26 kwietnia;21:2767-2779. doi: 10.1016/j.csbj.2023.04.023 Bencurova E, Akash A, Dobson RCJ, Dandekar T. Przechowywanie DNA – od biologii naturalnej do biologii syntetycznej. Comput Struct Biotechnologia J. 2023 2 lutego; 21: 1227-1235. doi: 10.1016/j.csbj.2023.01.045

Znak czasu:

Więcej z Nanowerk