Những thách thức nào cần phải vượt qua để làm cho chip DNA được ứng dụng nhiều hơn làm phương tiện lưu trữ

Những thách thức nào cần phải vượt qua để làm cho chip DNA được ứng dụng nhiều hơn làm phương tiện lưu trữ

Dấu thời gian: 24:2023 sáng ngày 4 tháng 29 năm XNUMX
Nút nguồn: 2845390
24/2023/XNUMX (Tin tức Nanowerk) Phân tử di truyền DNA có thể lưu trữ một lượng lớn thông tin trong thời gian dài trong một không gian rất nhỏ. Do đó, trong mười năm qua, các nhà khoa học đã theo đuổi mục tiêu phát triển chip DNA cho công nghệ máy tính, chẳng hạn như để lưu trữ dữ liệu lâu dài. Những con chip như vậy sẽ vượt trội hơn so với những con chip dựa trên silicon thông thường về mật độ lưu trữ, tuổi thọ và tính bền vững. Bốn khối xây dựng cơ bản định kỳ được tìm thấy trong chuỗi DNA. Một chuỗi cụ thể của các khối này có thể được sử dụng để mã hóa thông tin, giống như tự nhiên. Để tạo ra chip DNA, DNA được mã hóa tương ứng phải được tổng hợp và ổn định. Nếu điều này hoạt động tốt, thông tin sẽ được lưu giữ trong một thời gian rất dài – các nhà nghiên cứu cho rằng vài nghìn năm. Thông tin có thể được truy xuất bằng cách tự động đọc và giải mã trình tự của bốn khối xây dựng cơ bản. Thông tin có thể được lưu trữ dưới dạng DNA trên chip làm từ nanocellulose bán dẫn Thông tin có thể được lưu trữ dưới dạng DNA trên các con chip làm bằng nanocellulose bán dẫn. Các protein được kiểm soát bằng ánh sáng sẽ đọc thông tin. (Ảnh: Đại học Würzburg)

Những thách thức nào phải vượt qua

Giáo sư Thomas Dandekar, người đứng đầu Khoa Tin sinh học tại Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg, cho biết: “Việc lưu trữ dữ liệu DNA kỹ thuật số với dung lượng cao và tuổi thọ dài là khả thi đã được chứng minh nhiều lần trong những năm gần đây”. “Tuy nhiên, chi phí lưu trữ rất cao, gần 400,000 đô la Mỹ cho mỗi megabyte và thông tin được lưu trữ trong DNA chỉ có thể được truy xuất một cách chậm chạp. Phải mất hàng giờ đến hàng ngày, tùy thuộc vào lượng dữ liệu.” Những thách thức này phải được vượt qua để thực hiện Lưu trữ dữ liệu DNA có tính ứng dụng cao hơn và có tính thị trường hơn. Các công cụ thích hợp cho việc này là các enzym điều khiển ánh sáng và phần mềm thiết kế mạng lưới protein. Thomas Dandekar và các thành viên nhóm chủ tịch của ông là Aman Akash và Elena Bencurova thảo luận về vấn đề này trong một bài đánh giá gần đây trên tạp chí Xu hướng trong công nghệ sinh học (“Cách làm cho việc lưu trữ dữ liệu DNA trở nên hữu dụng hơn”). Nhóm của Dandekar tin chắc rằng DNA có tương lai là một kho lưu trữ dữ liệu. Trong tạp chí, các nhà nghiên cứu của JMU cho thấy sự kết hợp giữa sinh học phân tử, công nghệ nano, các polyme mới, thiết bị điện tử và tự động hóa, cùng với sự phát triển có hệ thống, có thể làm cho việc lưu trữ dữ liệu DNA trở nên hữu ích cho việc sử dụng hàng ngày trong một vài năm tới.

Chip DNA làm từ nanocellulose

Tại Trung tâm sinh học JMU, nhóm của Dandekar đang phát triển chip DNA làm từ chất bán dẫn, được sản xuất bằng vi khuẩn. nanoxenlulo. Giáo sư cho biết: “Với bằng chứng về khái niệm của mình, chúng tôi có thể cho thấy công nghệ máy tính và điện tử hiện tại có thể được thay thế một phần bằng các thành phần sinh học phân tử như thế nào”. Bằng cách này, có thể đạt được tính bền vững, khả năng tái chế hoàn toàn và độ bền cao ngay cả khi chống lại các xung điện từ hoặc mất điện, đồng thời đạt được mật độ lưu trữ cao lên tới một tỷ gigabyte trên mỗi gram DNA. Thomas Dandekar đánh giá sự phát triển của chip DNA là rất phù hợp: “Chúng ta sẽ chỉ tồn tại như một nền văn minh về lâu dài nếu chúng ta thực hiện bước nhảy vọt vào loại công nghệ máy tính bền vững mới này, kết hợp sinh học phân tử với điện tử và công nghệ polymer mới”. Ông nói, điều quan trọng đối với nhân loại là chuyển sang nền kinh tế tuần hoàn hài hòa với ranh giới hành tinh và môi trường. “Chúng ta cần đạt được điều này trong 20 đến 30 năm nữa. Công nghệ chip là một ví dụ quan trọng cho điều này, nhưng các công nghệ bền vững để sản xuất chip không gây rác thải điện tử và ô nhiễm môi trường vẫn chưa trưởng thành. Ý tưởng chip nanocellulose của chúng tôi góp phần quan trọng vào việc này. Trong bài báo mới, chúng tôi đã xem xét kỹ lưỡng khái niệm của mình và nâng cao nó hơn nữa với những cải tiến nghiên cứu hiện tại.”

Cải thiện hơn nữa phương tiện lưu trữ DNA

Nhóm của Dandekar hiện đang nỗ lực kết hợp các chip DNA làm từ nanocellulose bán dẫn thậm chí còn tốt hơn với các enzyme thiết kế mà họ đã phát triển. Các enzyme cũng cần được cải thiện hơn nữa. “Bằng cách này, chúng tôi muốn đạt được khả năng kiểm soát ngày càng tốt hơn đối với phương tiện lưu trữ DNA và có thể lưu trữ nhiều hơn trên đó, đồng thời tiết kiệm chi phí và do đó từng bước cho phép sử dụng thực tế làm phương tiện lưu trữ trong cuộc sống hàng ngày.”

Ba ấn phẩm nữa về chủ đề này

Bencurova E, Shitykov S, Schaack D, Kaltdorf M, Sarukhanyan E, Hilgarth A, Rath C, Montenegro S, Roth G, Lopez D, Dandekar T. Vật liệu tổng hợp Nanocellulose là thiết bị thông minh có khung gầm, bộ lưu trữ DNA điều khiển bằng ánh sáng, các đặc tính điện tử được thiết kế và Tích hợp chip. Mặt trước Bioeng Biotechnol. 2022 ngày 8 tháng 10;869111:10.3389. doi: 2022.869111/fbioe.XNUMX Salihoglu R, Srivastava M, Liang C, Schilling K, Szalay A, Bencurova E, Dandekar T. PRO-Simat: Công cụ thiết kế và mô phỏng mạng protein. Cấu trúc máy tính Công nghệ sinh học J. 2023 26 tháng 21;2767:2779-10.1016. doi: 2023.04.023/j.csbj.XNUMX Bencurova E, Akash A, Dobson RCJ, Dandekar T. Lưu trữ DNA - từ sinh học tự nhiên đến sinh học tổng hợp. Cấu trúc máy tính Công nghệ sinh học J. 2023 ngày 2 tháng 21;1227:1235-10.1016. doi: 2023.01.045/j.csbj.XNUMX

Dấu thời gian:

Thêm từ công trình nano