Nova pesquisa pode permitir transferência direta de dados de computadores para células vivas

    celuvida101/11/2021 - À medida que o mundo moderno produz cada vez mais dados, os pesquisadores estão lutando para encontrar novas maneiras de armazenar tudo. O DNA promete ser um meio de armazenamento extremamente compacto e estável, e agora uma nova abordagem poderia nos permitir gravar dados digitais diretamente nos genomas das células vivas. Os esforços para reaproveitar a tecnologia de memória embutida da natureza não são novos, mas na última década, a abordagem ganhou interesse renovado e viu alguns grandes progressos.

    Isso foi impulsionado por uma explosão de dados que não mostra sinais de desaceleração. Em 2025, estima-se que 463 exabytes serão criados a cada dia em todo o mundo. Armazenar todos esses dados pode rapidamente se tornar impraticável usando a tecnologia convencional de silício, mas o DNA pode conter a resposta. Para começar, sua densidade de informações é milhões de vezes melhor do que os discos rígidos convencionais, com um único grama de DNA capaz de armazenar até 215 milhões de gigabytes.

    Também é altamente estável se armazenado corretamente. Em 2017, os pesquisadores conseguiram extrair o genoma completo de uma espécie extinta de cavalos de 700.000 anos atrás. Aprender a armazenar e manipular dados usando a mesma linguagem da natureza também pode abrir a porta para uma série de novos recursos em biotecnologia. A principal complicação está em encontrar uma maneira de fazer a interface do mundo digital dos computadores e dados com o mundo bioquímico da genética. No momento, isso depende da síntese de DNA no laboratório e, embora os custos estejam caindo rapidamente, esse ainda é um negócio complicado e caro. Uma vez sintetizadas, as sequências devem ser cuidadosamente armazenadas in vitro até que estejam prontas para serem acessadas novamente, ou podem ser unidas em células vivas usando a tecnologia de edição de genes CRISPR. Agora, porém, pesquisadores da Universidade de Columbia demonstraram uma nova abordagem que pode converter diretamente sinais eletrônicos digitais em dados genéticos armazenados nos genomas de células vivas. Isso pode levar a uma série de aplicativos para armazenamento de dados e muito mais, diz Harris Wang, que liderou a pesquisa publicada na Nature Chemical Biology.

    “Imagine ter discos rígidos celulares que podem computar e reconfigurar fisicamente em tempo real”, escreveu ele em um e-mail para o Singularity Hub. “Achamos que o primeiro passo é conseguir codificar diretamente os dados binários nas células, sem ter que fazer a síntese de DNA in vitro.

    “Esta é talvez a parte mais difícil de todas as abordagens de armazenamento de DNA. Se você puder fazer com que as células falem diretamente com um computador e interajam seu sistema de memória baseado em DNA com um sistema de memória baseado em silício, então existem muitas possibilidades no futuro. ”

    O trabalho se baseia em um gravador celular baseado em CRISPR que Wang havia projetado anteriormente para a bactéria E. coli, que detecta a presença de certas sequências de DNA dentro da célula e registra esse sinal no genoma do organismo. O sistema inclui um "módulo de detecção" baseado em DNA que produz níveis elevados de uma "sequência de gatilho" em resposta a sinais biológicos específicos. Essas sequências são incorporadas na "fita adesiva de DNA" do gravador para documentar o sinal. Neste novo trabalho, Wang e colegas adaptaram o módulo de detecção para funcionar com um biossensor desenvolvido por outra equipe que reage a sinais elétricos. Grandes populações da bactéria foram então colocadas em um dispositivo composto de uma série de câmaras que permitiram à equipe expô-las a sinais elétricos.

    Quando eles aplicaram uma voltagem, os níveis da sequência de gatilho foram elevados e registrados na fita do DNA. Trechos com altas proporções de sequência de gatilho foram usados ​​para representar um binário "1" e sua ausência um "0", permitindo aos pesquisadores codificar diretamente a informação digital no genoma da bactéria. A quantidade de dados que uma única célula pode conter é muito pequena, apenas três bits. Assim, os pesquisadores desenvolveram uma maneira de codificar 24 populações separadas de bactérias com diferentes blocos de dados de 3 bits simultaneamente para um total de 72 bits. Eles usaram isso para codificar a mensagem "Olá, mundo!" nas bactérias e mostraram que, ao sequenciar a população combinada e usando um classificador especialmente projetado, eles poderiam recuperar a mensagem com 98 por cento de precisão.

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    Obviamente, 72 bits está muito longe da capacidade de armazenamento dos discos rígidos modernos, e até mesmo as técnicas de armazenamento de DNA sem células agora lidam com gigabytes. Mas Wang diz que isso é apenas uma prova de conceito, e há muito espaço para aumentar a eficiência da máquina CRISPR que alimenta o gravador, o comprimento da fita que pode ser lida com segurança e até mesmo os eletrônicos usados ​​para codificar o dados.

    “Todas essas coisas vão melhorar nos próximos anos e eu definitivamente acho que é possível aumentar maciçamente a capacidade do sistema em várias ordens de magnitude, mesmo no curto prazo”, disse ele. E armazenar dados em células em vez de in vitro tem uma série de benefícios significativos, acrescentou. Para começar, é muito mais barato amplificar ou duplicar os dados porque você pode simplesmente fazer crescer mais células em vez de realizar uma síntese de DNA artificial complexa. No artigo, a equipe mostrou que as informações registradas permaneceram estáveis ​​por 60 a 80 gerações de células.

    As células também já têm uma capacidade nativa de manter o DNA protegido de distúrbios ambientais. Eles demonstraram isso adicionando células de E. coli ao solo de envasamento não esterilizado e, em seguida, recuperando de forma confiável uma mensagem de 52 bits sequenciando a comunidade microbiana do solo combinada. Talvez o mais empolgante, porém, seja a possibilidade de unir essa capacidade de registro de dados a pesquisas emergentes em biocomputadores. Os pesquisadores já começaram a projetar o DNA das células para permitir que realizem operações lógicas e de memória, mas a criação de uma interface direta entre o silício e os genomas poderia acelerar significativamente nossa capacidade de reprogramar células para nossos próprios dispositivos.

    Fonte: https://singularityhub.com/

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