Какие проблемы необходимо преодолеть, чтобы сделать ДНК-чипы более применимыми в качестве носителей информации?

Какие проблемы необходимо преодолеть, чтобы сделать ДНК-чипы более применимыми в качестве носителей информации?

Отметка времени: 24 августа 2023 г., 4:29
Исходный узел: 2845390
24 августа 2023 г. (Новости Наноуэрк) Наследственная молекула ДНК может хранить большое количество информации в течение длительных периодов времени в очень небольшом пространстве. Поэтому в течение добрых десяти лет ученые преследовали цель разработать ДНК-чипы для компьютерных технологий, например, для долгосрочного архивирования данных. Такие чипы будут превосходить традиционные чипы на основе кремния с точки зрения плотности хранения, долговечности и устойчивости. В цепи ДНК обнаружены четыре повторяющихся основных строительных блока. Определенная последовательность этих блоков может использоваться для кодирования информации, как это делает природа. Чтобы построить ДНК-чип, необходимо синтезировать и стабилизировать ДНК, закодированную соответствующим образом. Если это работает хорошо, информация сохраняется очень долго – исследователи предполагают несколько тысяч лет. Информацию можно получить путем автоматического считывания и декодирования последовательности четырех основных строительных блоков. Информация может храниться в виде ДНК на чипах из полупроводниковой наноцеллюлозы. Информация может храниться в виде ДНК на чипах из полупроводниковой наноцеллюлозы. Белки, контролируемые светом, считывают информацию. (Изображение: Вюрцбургский университет)

Какие трудности предстоит преодолеть

«Тот факт, что хранение цифровых данных ДНК с высокой емкостью и длительным сроком службы возможно, было продемонстрировано несколько раз в последние годы», — говорит профессор Томас Дандекар, заведующий кафедрой биоинформатики в Университете Юлиуса-Максимилиана (JMU) Вюрцбург. «Но стоимость хранения высока, около 400,000 XNUMX долларов США за мегабайт, а информация, хранящаяся в ДНК, может быть извлечена лишь медленно. Это занимает от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от объема данных». Эти проблемы необходимо преодолеть, чтобы сделать Хранение данных ДНК более применимы и востребованы на рынке. Подходящими инструментами для этого являются ферменты, управляемые светом, и программное обеспечение для проектирования белковых сетей. Томас Дандекар и члены его председательской группы Аман Акаш и Елена Бенкурова обсуждают это в недавнем обзоре журнала. Тенденции в биотехнологии («Как сделать хранение данных ДНК более практичным»). Команда Дандекара убеждена, что у ДНК есть будущее как хранилища данных. В журнале исследователи JMU показывают, как сочетание молекулярной биологии, нанотехнологии, новые полимеры, электроника и автоматизация в сочетании с систематическими разработками могут через несколько лет сделать хранение данных ДНК полезным для повседневного использования.

ДНК-чипы из наноцеллюлозы

В Биоцентре JMU команда Дандекара разрабатывает ДНК-чипы из полупроводников, полученных бактериями. наноцеллюлоза. «С нашим доказательством концепции мы можем показать, как современная электроника и компьютерные технологии могут быть частично заменены молекулярными биологическими компонентами», — говорит профессор. Таким образом, могут быть достигнуты устойчивость, полная возможность повторного использования и высокая устойчивость даже к электромагнитным импульсам или перебоям в подаче электроэнергии, а также высокая плотность хранения до одного миллиарда гигабайт на грамм ДНК. Томас Дандекар считает разработку ДНК-чипов весьма актуальной: «Мы просуществуем как цивилизация в долгосрочной перспективе только в том случае, если совершим скачок к этому новому типу устойчивых компьютерных технологий, сочетающих молекулярную биологию с электроникой и новой полимерной технологией». По его словам, для человечества важно перейти к экономике замкнутого цикла в гармонии с планетарными границами и окружающей средой. «Мы должны достичь этого за 20-30 лет. Технология чипов является важным примером этого, но устойчивые технологии для производства чипов без электронных отходов и загрязнения окружающей среды еще не разработаны. Наша концепция наноцеллюлозных чипов вносит в это ценный вклад. В новой статье мы критически рассмотрели нашу концепцию и усовершенствовали ее с помощью текущих инноваций, полученных в результате исследований».

Дальнейшее улучшение носителей ДНК

Команда Дандекара в настоящее время работает над тем, чтобы еще лучше объединить ДНК-чипы, изготовленные из полупроводниковой наноцеллюлозы, с разработанными ими дизайнерскими ферментами. Ферменты также нуждаются в дальнейшем совершенствовании. «Таким образом, мы хотим добиться все лучшего и лучшего контроля над носителем данных ДНК и иметь возможность хранить на нем еще больше, а также сэкономить затраты и, таким образом, шаг за шагом обеспечить практическое использование в качестве носителя данных в повседневной жизни».

Еще три публикации по теме

Бенкурова Э., Шитяков С., Шаак Д., Калтдорф М., Саруханян Э., Хилгарт А., Рат С., Монтенегро С., Рот Г., Лопес Д., Дандекар Т. Наноцеллюлозные композиты как интеллектуальные устройства с шасси, светонаправленное хранение ДНК, инженерные электронные свойства и интеграция чипов. Фронт Bioeng Biotechnol. 2022 8 августа; 10:869111. doi: 10.3389/fbioe.2022.869111 Салихоглу Р., Сривастава М., Лян С., Шиллинг К., Салай А., Бенкурова Э., Дандекар Т. PRO-Simat: инструмент моделирования и проектирования белковых сетей. Comput Struct Biotechnol Дж. 2023 26 апреля; 21:2767-2779. doi: 10.1016/j.csbj.2023.04.023 Бенкурова Э., Акаш А., Добсон Р.К.Дж., Дандекар Т. Хранение ДНК — от естественной биологии к синтетической биологии. Comput Struct Biotechnol Дж. 2023 февраля 2 г.; 21: 1227–1235. дои: 10.1016/j.csbj.2023.01.045

Отметка времени:

Больше от нанотехнология