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CIENCIA. Nuestro ADN se está convirtiendo en el disco duro más pequeño del mundo

 

Modelo 3D de ADN. Fuente: Michael Ströck / Wikimedia / Licencia de documentación libre GNU

Nuestro código genético es millones de veces más eficiente para almacenar datos que las soluciones existentes, que son costosas y utilizan inmensas cantidades de energía y espacio. De hecho, podríamos deshacernos de los discos duros y almacenar todos los datos digitales del planeta en un par de cientos de gramos de ADN.

El uso del ADN como medio de almacenamiento de datos de alta densidad tiene el potencial de forjar avances en la tecnología de biosensores y biograbación y el almacenamiento digital de próxima generación, pero los investigadores no han podido superar las ineficiencias que permitirían escalar la tecnología.

Ahora, los investigadores de la Universidad Northwestern proponen un nuevo método para registrar información en el ADN que tarda minutos, en lugar de horas o días, en completarse. El equipo utilizó un sistema enzimático novedoso para sintetizar ADN que registra las señales ambientales que cambian rápidamente directamente en secuencias de ADN, un método que, según el autor principal del artículo, podría cambiar la forma en que los científicos estudian y registran las neuronas dentro del cerebro.

La investigación, "Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis", se ha publicado en la revista Journal of the American Chemical Society .

El autor principal del artículo, el profesor de ingeniería de Northwestern Keith EJ Tyo, dijo que su laboratorio estaba interesado en aprovechar las capacidades naturales del ADN para crear una nueva solución para almacenar datos.

"La naturaleza es buena copiando ADN, pero realmente queríamos poder escribir ADN desde cero", dijo Tyo. "La forma ex vivo (fuera del cuerpo) de hacer esto implica una síntesis química lenta. Nuestro método es mucho más barato para escribir información porque la enzima que sintetiza el ADN puede manipularse directamente. Las grabaciones intracelulares de última generación son incluso más lento porque requieren los pasos mecánicos de la expresión de proteínas en respuesta a las señales, a diferencia de nuestras enzimas, que se expresan todas con anticipación y pueden almacenar información de forma continua ".

Tyo, profesor de ingeniería química y biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick, es miembro del Centro de Biología Sintética y estudia los microbios y sus mecanismos para detectar cambios ambientales y responder a ellos rápidamente.

Evitando la expresión de proteínas

Los métodos existentes para registrar datos moleculares y digitales intracelulares en el ADN se basan en procesos de varias partes que agregan nuevos datos a las secuencias de ADN existentes. Para producir una grabación precisa, los investigadores deben estimular y reprimir la expresión de proteínas específicas, que pueden tardar más de 10 horas en completarse.

El laboratorio de Tyo planteó la hipótesis de que podrían usar un nuevo método que llamaron Grabación sin plantilla sensible al tiempo usando Tdt para señales ambientales locales, haciendo una grabación más rápida y de mayor resolución.

A medida que la ADN polimerasa continúa agregando bases, los datos se registran en el  en una escala de minutos a medida que los cambios en el entorno afectan la composición del ADN que sintetizaLos cambios ambientales, como los cambios en la concentración de metales, son registrados por la polimerasa, actuando como una "cinta de teletipo molecular" e indicando a los científicos el momento de un cambio ambiental. El uso de biosensores para registrar cambios en el ADN representa un paso importante que podría dar a los investigadores la capacidad de usar el ADN registrado para aprender cómo se comunican las neuronas entre sí.

De las células cerebrales al agua contaminada

Con más potencial de escalabilidad y precisión, el sistema podría ofrecer la base para herramientas que catapulten la investigación del cerebro hacia adelante. Los investigadores solo pueden estudiar una pequeña fracción de las neuronas del cerebro con la tecnología actual, e incluso entonces, existen límites en lo que saben que hacen. Al colocar "grabadoras" dentro de todas las  del cerebro, los científicos podrían mapear las respuestas a los estímulos con resolución de una sola célula en muchas (millones) de neuronas.

Fuera del cuerpo, este sistema también podría usarse para una variedad de soluciones para abordar el crecimiento explosivo en las necesidades de almacenamiento de datos (hasta 175 zettabytes para 2025).

Es particularmente bueno para aplicaciones de datos de archivo a largo plazo, como almacenar imágenes de seguridad de circuito cerrado, a las que el equipo se refiere como datos que usted "escribe una vez y nunca lee", pero que debe tener acceso en caso de que ocurra un incidente. Con tecnología desarrollada por ingenieros, los discos duros y las unidades de disco que guardan años de queridas memorias de cámara también podrían ser reemplazadas por fragmentos de ADN.

Fuera del  , la función de "ticker tape" podría usarse como un biosensor para monitorear los contaminantes ambientales, como la concentración de metales pesados ​​en el agua potable.

Si bien el laboratorio se enfoca en ir más allá de una prueba de concepto en grabación digital y celular, el equipo expresó su esperanza de que más ingenieros se interesen en el concepto y puedan usarlo para registrar señales importantes para su investigación.

Más información: Namita Bhan et al, Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis, Journal of the American Chemical Society (2021). DOI: 10.1021/jacs.1c07331

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