研究人员提出了一种将信息记录到 DNA 中的新方法
研究人员提出了将数据记录到DNA中的更快方法，在数字数据存储、神经元记录领域显示出前景。
我们的遗传密码存储数据的效率是现有解决方案的数百万倍，现有解决方案成本高昂且占用大量能源和空间。事实上，我们可以摆脱硬盘驱动器，将地球上的所有数字数据存储在几百磅 DNA 中。
使用 DNA 作为高密度数据存储介质具有在生物传感和生物记录技术以及下一代数字存储方面取得突破的潜力，但研究人员一直无法克服低效率的问题，从而使该技术得以扩展。
“大自然擅长复制 DNA，但我们真的希望能够从头开始编写 DNA。” — Keith Tyo，化学与生物工程副教授
现在，西北大学的研究人员提出了一种将信息记录到 DNA 中的新方法，该方法需要几分钟而不是几小时或几天才能完成。该团队使用一种新型酶系统来合成 DNA，将快速变化的环境信号直接记录到 DNA 序列中，该论文的资深作者表示，这种方法可以改变科学家研究和记录大脑内神经元的方式。
这项名为“使用酶促 DNA 合成以分钟分辨率记录时间信号”的研究于 2021 年 9 月 30 日发表在《美国化学学会杂志》上。该论文的资深作者，西北工程公司的 Keith EJ Tyo 说，他的实验室对利用 DNA 的自然能力来创建存储数据的新解决方案感兴趣。
该论文的资深作者、西北大学工程学教授 Keith EJ Tyo 表示，他的实验室对利用 DNA 的自然能力来创建存储数据的新解决方案很感兴趣。
“大自然擅长复制 DNA，但我们真的希望能够从头开始编写 DNA，”Tyo 说。“离体（体外）方法涉及缓慢的化学合成。我们的方法写入信息要便宜得多，因为可以直接操纵合成 DNA 的酶。最先进的细胞内记录甚至更慢，因为它们需要蛋白质表达的机械步骤来响应信号，而不是我们的酶都提前表达并可以连续存储信息。”
Tyo 是 McCormick 工程学院的化学和生物工程教授，是合成生物学中心的成员，研究微生物及其感知环境变化并快速响应的机制。
绕过蛋白质表达
将细胞内分子和数字数据记录到 DNA 的现有方法依赖于向现有 DNA 序列添加新数据的多部分过程。为了产生准确的记录，研究人员必须刺激和抑制特定蛋白质的表达，这可能需要 10 多个小时才能完成。
Tyo 实验室假设他们可以使用一种新方法，即使用 Tdt for Local Environmental Signals 或 TURTLES 进行时间敏感的非模板化记录，以合成全新的 DNA，而不是复制它的模板，从而实现更快、更高分辨率的记录。
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随着 DNA 聚合酶继续添加碱基，随着环境的变化影响其合成的 DNA 的组成，数据会在几分钟内记录到遗传密码中。聚合酶记录环境变化，例如金属浓度的变化，充当“分子自动收报机”并向科学家指示环境变化的时间。使用生物传感器记录 DNA 的变化代表了证明 TURTLES 在细胞内使用的可行性的重要一步，并且可以使研究人员能够使用记录的 DNA 来了解神经元如何相互交流。
“对于有朝一日可以让我们同时研究数百万个细胞之间相互作用的方法，这是一个非常令人兴奋的概念证明，”共同第一作者、Tyo 实验室的博士后研究员 Namita Bhan 说。“我认为以前没有任何报道过的直接酶调节记录系统。”
从脑细胞到污水
凭借更大的可扩展性和准确性潜力，TURTLES 可以为推动大脑研究向前发展的工具提供基础。根据 Tyo 实验室的共同第一作者和研究生 Alec Callisto 的说法，研究人员只能用当今的技术研究大脑神经元的一小部分，即便如此，他们知道自己所做的事情还是有限制的。通过将记录器放置在大脑中的所有细胞内，科学家们可以在许多（百万）神经元中以单细胞分辨率绘制对刺激的反应。
“如果你看看当前的技术如何随着时间的推移而扩展，我们甚至可能需要几十年的时间才能用现有技术同时记录整个蟑螂大脑——更不用说人类大脑中的数百亿个神经元了，”卡利斯托说。“所以这是我们真正想要加速的事情。”
在身体之外，TURTLES 系统还可用于各种解决方案，以解决数据存储需求的爆炸式增长（到 2025 年将达到 175 zettabytes）。
它特别适用于长期存档数据应用程序，例如存储闭路安全录像，团队将其称为“一次写入，永不读取”的数据，但需要在事件发生时访问。借助工程师开发的技术，保存多年心爱相机记忆的硬盘驱动器和磁盘驱动器也可以被 DNA 片段所取代。
在存储之外，“自动收报机”功能可用作生物传感器来监测环境污染物，如饮用水中的重金属浓度。
虽然实验室专注于超越数字和蜂窝记录的概念验证，但该团队表示希望更多的工程师会对这个概念感兴趣，并能够使用它来记录对他们的研究很重要的信号。
“我们仍在构建强大的细胞内记录所需的基因组基础设施和细胞技术，”Tyo 说。“这是朝着我们的长期目标迈出的一步。”
参考文献：Namita Bhan、Alec Callisto、Jonathan Strutz、Joshua Glaser、Reza Kalhor、Edward S. Boyden、George Church、Konrad Kording 和 Keith EJ Tyo 撰写的“使用酶促 DNA 合成以分钟分辨率记录时间信号”，2021 年 9 月 30 日，期刊美国化学学会的。
DOI: 10.1021/jacs.1c07331
这项工作由西北大学生物技术培训计划的两项美国国立卫生研究院赠款 (R01MH103910; 和 UF1NS107697) 和 NIH 培训补助金 (T32GM008449) 资助。该研究的部分支持来自为西北大学 Quest 高性能计算设施提供的计算资源和员工贡献，该设施由教务长办公室、研究办公室和西北大学信息技术办公室共同支持。所有下一代测序都是在伊利诺伊大学芝加哥分校的下一代测序核心设施的帮助下完成的。Sanger 测序得到了西北大学 NUSeq 核心设施的支持。凝胶成像得到了西北大学凯克生物物理设施和癌症中心支持补助金 (NCI CA060553) 的支持。Keck Biophysics Facility 的 Azure 蓝宝石成像仪由 NIH 赠款 (1S10OD026963-01) 资助。蛋白质纯化得到西北大学重组蛋白生产核心的支持。