Il nuovo approccio alla memorizzazione dei dati del DNA rende il sistema più dinamico, scalabile

Pubblicato da North Carolina State University in CURIOSITA' · 15 Giugno 2020
Tags: DNA, doris, RNA, intelligenza, artificiale

"La maggior parte dei sistemi di memorizzazione dei dati sul DNA esistenti si basano sulla reazione a catena della polimerasi (PCR) per accedere ai file memorizzati, che è molto efficiente nel copiare le informazioni ma presenta alcune sfide significative", afferma Albert Keung, co-corrispondente autore di un documento sull'opera . "Abbiamo sviluppato un sistema chiamato Dynamic Operations and Reusable Information Storage, o DORIS, che non si basa sulla PCR. Questo ci ha aiutato ad affrontare alcuni degli ostacoli chiave che si presentano all'implementazione pratica delle tecnologie di archiviazione dei dati del DNA." Keung è professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare presso lo stato NC.

I sistemi di archiviazione dei dati del DNA hanno il potenziale per contenere ordini di grandezza maggiori informazioni rispetto ai sistemi esistenti di dimensioni comparabili. Tuttavia, le tecnologie esistenti hanno faticato ad affrontare una serie di preoccupazioni relative all'attuazione pratica.

I sistemi attuali si basano su sequenze di DNA chiamate sequenze leganti il primer che vengono aggiunte alle estremità dei filamenti di DNA che memorizzano informazioni. In breve, la sequenza di DNA del primer-binding funge da nome di file. Quando vuoi un dato file, recuperi i filamenti di DNA che portano quella sequenza.

Molte delle barriere pratiche alle tecnologie di archiviazione dei dati del DNA ruotano attorno all'uso della PCR per recuperare i dati memorizzati. I sistemi che si basano sulla PCR devono aumentare e ridurre drasticamente la temperatura del materiale genetico immagazzinato per dividere il DNA a doppio filamento e rivelare la sequenza di legame del primer. Ciò si traduce in tutto il DNA - le sequenze leganti il primer e le sequenze di archiviazione dei dati - nuotando liberamente in una specie di zuppa genetica. Le tecnologie esistenti possono quindi selezionare la minestra per trovare, recuperare e copiare il DNA rilevante mediante PCR. Gli sbalzi di temperatura sono problematici per lo sviluppo di tecnologie pratiche e la stessa tecnica PCR consuma gradualmente - o consuma - la versione originale del file che viene recuperato.

DORIS ha un approccio diverso. Invece di usare il DNA a doppio filamento come sequenza legante il primer, DORIS usa uno "sbalzo" che consiste in un singolo filamento di DNA - come una coda che scorre dietro il DNA a doppio filamento che in realtà memorizza i dati. Mentre le tecniche tradizionali richiedono fluttuazioni di temperatura per strappare il DNA al fine di trovare le sequenze di legame del primer rilevanti, l'uso di una sporgenza a singolo filamento significa che DORIS può trovare le sequenze di legame del primer appropriate senza disturbare il DNA a doppio filamento.

"In altre parole, DORIS può lavorare a temperatura ambiente, rendendo molto più fattibile lo sviluppo di tecnologie di gestione dei dati sul DNA che sono praticabili in scenari del mondo reale", afferma James Tuck, co-corrispondente autore del documento e professore di elettricità e ingegneria informatica allo stato NC.

L'altro vantaggio di non dover separare i filamenti di DNA è che la sequenza di DNA nella sporgenza può essere la stessa di una sequenza trovata nella regione a doppio filamento del file di dati stesso. È difficile da ottenere nei sistemi basati sulla PCR senza sacrificare la densità delle informazioni, poiché il sistema non sarebbe in grado di distinguere tra sequenze di associazione dei primer e sequenze di archiviazione dei dati.

"DORIS ci consente di aumentare in modo significativo la densità di informazioni del sistema e semplifica inoltre il ridimensionamento per gestire database di grandi dimensioni", afferma Kevin Lin, primo autore del documento e dottorato di ricerca. studente presso NC State.

E una volta che DORIS ha identificato la corretta sequenza di DNA, non fa affidamento sulla PCR per fare copie. Invece, DORIS trascrive il DNA in RNA, che viene poi trascritto nuovamente nel DNA che il sistema di memorizzazione dei dati può leggere. In altre parole, DORIS non deve consumare il file originale per leggerlo.

Le sporgenze a singolo filamento possono anche essere modificate, consentendo agli utenti di rinominare i file, eliminare i file o "bloccarli", rendendoli effettivamente invisibili agli altri utenti.

"Abbiamo sviluppato un prototipo funzionale di DORIS, quindi sappiamo che funziona", afferma Keung. "Ora siamo interessati a ridimensionarlo, accelerarlo e inserirlo in un dispositivo che automatizza il processo, rendendolo facile da usare."