研究人員提出了一種將信息記錄到 DNA 中的新方法
研究人員提出了將數據記錄到DNA中的更快方法，在數字數據存儲、神經元記錄領域顯示出前景。
我們的遺傳密碼存儲數據的效率是現有解決方案的數百萬倍，現有解決方案成本高昂且占用大量能源和空間。事實上，我們可以擺脫硬盤驅動器，將地球上的所有數字數據存儲在幾百磅 DNA 中。
使用 DNA 作為高密度數據存儲介質具有在生物傳感和生物記錄技術以及下一代數字存儲方面取得突破的潛力，但研究人員一直無法克服低效率的問題，從而使該技術得以擴展。
“大自然擅長復制 DNA，但我們真的希望能夠從頭開始編寫 DNA。” — Keith Tyo，化學與生物工程副教授
現在，西北大學的研究人員提出了一種將信息記錄到 DNA 中的新方法，該方法需要幾分鐘而不是幾小時或幾天才能完成。該團隊使用一種新型酶系統來合成 DNA，將快速變化的環境信號直接記錄到 DNA 序列中，該論文的資深作者表示，這種方法可以改變科學家研究和記錄大腦內神經元的方式。
這項名為“使用酶促 DNA 合成以分鐘分辨率記錄時間信號”的研究于 2021 年 9 月 30 日發表在《美國化學學會雜志》上。該論文的資深作者，西北工程公司的 Keith EJ Tyo 說，他的實驗室對利用 DNA 的自然能力來創建存儲數據的新解決方案感興趣。
該論文的資深作者、西北大學工程學教授 Keith EJ Tyo 表示，他的實驗室對利用 DNA 的自然能力來創建存儲數據的新解決方案很感興趣。
“大自然擅長復制 DNA，但我們真的希望能夠從頭開始編寫 DNA，”Tyo 說。“離體（體外）方法涉及緩慢的化學合成。我們的方法寫入信息要便宜得多，因為可以直接操縱合成 DNA 的酶。最先進的細胞內記錄甚至更慢，因為它們需要蛋白質表達的機械步驟來響應信號，而不是我們的酶都提前表達并可以連續存儲信息。”
Tyo 是 McCormick 工程學院的化學和生物工程教授，是合成生物學中心的成員，研究微生物及其感知環境變化并快速響應的機制。
繞過蛋白質表達
將細胞內分子和數字數據記錄到 DNA 的現有方法依賴于向現有 DNA 序列添加新數據的多部分過程。為了產生準確的記錄，研究人員必須刺激和抑制特定蛋白質的表達，這可能需要 10 多個小時才能完成。
Tyo 實驗室假設他們可以使用一種新方法，即使用 Tdt for Local Environmental Signals 或 TURTLES 進行時間敏感的非模板化記錄，以合成全新的 DNA，而不是復制它的模板，從而實現更快、更高分辨率的記錄。
隨著 DNA 聚合酶繼續添加堿基，隨著環境的變化影響其合成的 DNA 的組成，數據會在幾分鐘內記錄到遺傳密碼中。聚合酶記錄環境變化，例如金屬濃度的變化，充當“分子自動收報機”并向科學家指示環境變化的時間。使用生物傳感器記錄 DNA 的變化代表了證明 TURTLES 在細胞內使用的可行性的重要一步，并且可以使研究人員能夠使用記錄的 DNA 來了解神經元如何相互交流。
“對于有朝一日可以讓我們同時研究數百萬個細胞之間相互作用的方法，這是一個非常令人興奮的概念證明，”共同第一作者、Tyo 實驗室的博士后研究員 Namita Bhan 說。“我認為以前沒有任何報道過的直接酶調節記錄系統。”
從腦細胞到污水
憑借更大的可擴展性和準確性潛力，TURTLES 可以為推動大腦研究向前發展的工具提供基礎。根據 Tyo 實驗室的共同第一作者和研究生 Alec Callisto 的說法，研究人員只能用當今的技術研究大腦神經元的一小部分，即便如此，他們知道自己所做的事情還是有限制的。通過將記錄器放置在大腦中的所有細胞內，科學家們可以在許多（百萬）神經元中以單細胞分辨率繪制對刺激的反應。
“如果你看看當前的技術如何隨著時間的推移而擴展，我們甚至可能需要幾十年的時間才能用現有技術同時記錄整個蟑螂大腦——更不用說人類大腦中的數百億個神經元了，”卡利斯托說。“所以這是我們真正想要加速的事情。”
在身體之外，TURTLES 系統還可用于各種解決方案，以解決數據存儲需求的爆炸式增長（到 2025 年將達到 175 zettabytes）。
它特別適用于長期存檔數據應用程序，例如存儲閉路安全錄像，團隊將其稱為“一次寫入，永不讀取”的數據，但需要在事件發生時訪問。借助工程師開發的技術，保存多年心愛相機記憶的硬盤驅動器和磁盤驅動器也可以被 DNA 片段所取代。
在存儲之外，“自動收報機”功能可用作生物傳感器來監測環境污染物，如飲用水中的重金屬濃度。
雖然實驗室專注于超越數字和蜂窩記錄的概念驗證，但該團隊表示希望更多的工程師會對這個概念感興趣，并能夠使用它來記錄對他們的研究很重要的信號。
“我們仍在構建強大的細胞內記錄所需的基因組基礎設施和細胞技術，”Tyo 說。“這是朝著我們的長期目標邁出的一步。”
參考文獻：Namita Bhan、Alec Callisto、Jonathan Strutz、Joshua Glaser、Reza Kalhor、Edward S. Boyden、George Church、Konrad Kording 和 Keith EJ Tyo 撰寫的“使用酶促 DNA 合成以分鐘分辨率記錄時間信號”，2021 年 9 月 30 日，期刊美國化學學會的。
DOI: 10.1021/jacs.1c07331
這項工作由西北大學生物技術培訓計劃的兩項美國國立衛生研究院贈款 (R01MH103910; 和 UF1NS107697) 和 NIH 培訓補助金 (T32GM008449) 資助。該研究的部分支持來自為西北大學 Quest 高性能計算設施提供的計算資源和員工貢獻，該設施由教務長辦公室、研究辦公室和西北大學信息技術辦公室共同支持。所有下一代測序都是在伊利諾伊大學芝加哥分校的下一代測序核心設施的幫助下完成的。Sanger 測序得到了西北大學 NUSeq 核心設施的支持。凝膠成像得到了西北大學凱克生物物理設施和癌癥中心支持補助金 (NCI CA060553) 的支持。Keck Biophysics Facility 的 Azure 藍寶石成像儀由 NIH 贈款 (1S10OD026963-01) 資助。蛋白質純化得到西北大學重組蛋白生產核心的支持。