DNA iplikçikleri yeni veri depolama cihazları olarak daha da geliştirildi
Deoksiribonükleik asit (DNA) yalnızca bitki veya hayvanların tüm genetik bilgilerini taşımaz. Verilerin DNA makromoleküllerinde saklanması, bir gün birçok uzun vadeli depolama sorununu çözebilir. İlgili dört DNA baz çiftinin sekansı gerektiği gibi değiştirilebildiğinden, Washington Üniversitesi'ndeki bilim adamlarının 2020'de hesapladığı gibi, tek bir gram DNA 17 eksabaytlık (17 milyon terabayt) veriyi kodlayabilir. Dahası, DNA makromolekülleri hayatta kalabilir Kuru olarak depolanırsa ve atmosferik oksijenden korunursa yüzyıllar, hatta bin yıl boyunca değişmeden kalır. Bu süre zarfında enerjiye ihtiyaç duymadan kendilerine özgü veri setlerini korurlar.
Duyuru
Bu bulgulara dayanarak, DNA Veri Depolama İttifakı (DDSA), ortak bir uçtan uca DNA depolama sistemi geliştirmeyi ve standartlaştırmayı amaçlamaktadır. Ekim 2020'den bu yana bu sektör girişiminin kurucu üyeleri arasında Microsoft ve sabit disk üreticisi Western Digital'in yanı sıra sıralama cihazları geliştiricisi Illumina ve DNA sentezi uzmanı Twist Bioscience da yer alıyor. Ancak şu ana kadar DNA sentezinin, yani dört doğal nükleik baz olan adenin, guanin, sitozin ve timin'den DNA iplikçiklerinin adım adım oluşturulmasının çok zaman alıcı olduğu kanıtlandı; Büyük miktarlarda veriyi kodlayıp depolamak çok zaman alıcıdır.
Veri kodu içeride değil, DNA'da
Şimdi Tempe'deki Arizona Eyalet Üniversitesi'ndeki (ASU) araştırmacılar, Stuttgart Üniversitesi 2. Fizik Enstitüsü müdürü Laura Na Liu gibi uluslararası ortaklarla işbirliği içinde yeni, daha hızlı bir DNA depolama teknolojisi geliştirdiler. Epigenetik modifikasyonlar yaptıkları evrensel, önceden hazırlanmış DNA şeritlerini kullanırlar. Epigenetik, DNA'ya kimyasal gruplar ekleyerek veya çıkararak genetik aktiviteyi düzenleyen doğanın yöntemidir. Araştırmacılar bu doğal mekanizmayı uyarlıyor ve bunu biyolojik talimatlar yerine dijital bilgiyi kodlamak için kullanıyor. Metil gruplarını spesifik DNA bazlarına bağlayarak epi-bitler, yani moleküler veri noktaları oluştururlar. Bir metillenmiş baz (epi biti “1”) ve değişmemiş, metillenmemiş bir baz (epi biti “0”), hesaplamada kullanılan ikili kodun eşdeğeridir.
Spesifik olarak araştırmacılar, DNA nükleik bazı sitozinin bir türevi olan 5-metilsitozin (5mC) ile çalışıyorlar. Dahası, yalnızca tek sarmallı DNA'nın evrensel bir vektörünü (tek sarmallı DNA, ssDNA) değil, aynı zamanda onun kısa dizilerini tamamlayan ssDNA yapı taşlarını da kullanırlar. Bu kısa yapı taşları aslında bütün bir kütüphaneyi oluşturur. Araştırmacılar, yapı taşı kütüphanelerindeki dizilerle rastgele epi-bit kombinasyonları oluşturabileceklerini ve bunları DNA taşıyıcılarının aynı yükleme dizilerine birleştirebileceklerini gösterdiler. Bu nedenle seçici metilasyon yoluyla DNA taşıyıcısındaki bazları stabil bir şekilde değiştirebildiler. Bu yazma süreci yalnızca nispeten yüksek düzeyde bir hassasiyetle çalışmakla kalmadı, aynı zamanda DNA'nın 700'e kadar farklı bölümünde paralel olarak ilerledi.
Spesifik olarak, bilim adamları laboratuvar koşullarında kimyasal reaksiyon başına 350 bitlik ve özellikle şu ana kadar saniyede 40 bitlik bir yazma hızına ulaştılar. İki görüntüden (Çin'in eski Han hanedanlığından stilize edilmiş bir kaplan görüntüsü ve bir panda fotoğrafı) oluşan bir mesajı, iki saatten kısa bir sürede toplam 270.000 bit kodladılar. Her ne kadar bu süre büyük miktarlarda veriyi depolamak için hala çok uzun olsa da, yeni yöntem, DNA iplikçiklerinin de novo, yani baz çifti baz çiftinin sıfırdan inşa edilmesini gerektirmemesi gibi büyük bir avantaja sahiptir. Araştırmacılar, yöntemlerinin ve henüz geliştirilmemiş bir endüstriyel teknolojinin paralel çalışmasıyla yazma sürecini daha da hızlandırabileceklerinden eminler. Ayrıca geleceğin veri depolama cihazının, moleküler düzeyde paralel işlemenin yanı sıra birden fazla DNA zincirini paralel olarak tanımlayabileceğine de dikkat çekiyorlar.
Daha fazla değişken veri yoğunluğunu artırır
“Makalemizde yalnızca 5mC'nin epi-bit olarak kullanımını tanımlıyoruz. Ancak diğer baz modifikasyonlarını kullanmak ve böylece DNA zincirini tanımladığımız bütün bir alfabeyi geliştirmek de mümkündür.” Yazarlardan biri olan Hao Yan, ASU'da Moleküler Tasarım ve Biyomimetik Biyotasarım Merkezi'nin başkanlığını yapıyor ve şu anda burayı ziyaret ediyor. Stuttgart Üniversitesi'nden profesör, bu genişlemeyle tanımlanan bir DNA zincirindeki veri yoğunluğunun yeniden artırılabileceğini söyledi.
Araştırmacılar bir pandanın fotoğrafını depolama nesnesi olarak kullandılar. Laboratuvarda yazma ve okuma işleminden sonra fotoğrafı hatasız bir şekilde çoğaltmak için hata düzeltme kodunu kullandılar.
(Resim: Arizona Eyalet Üniversitesi)
Ayrıca, DNA iplikçiklerinin baz çifti baz çifti sıralı olarak oluşturulduğu önceki DDSA yaklaşımı gibi, yeni süreç kalıcı olarak depolanabilen bir DNA ipliği yaratıyor. Biyolojik sistemlerdeki DNA gibi, bu iplik de kolayca kopyalanabilir; bu da bazı bilgi yayma uygulamaları için ilginç olabilir.
Hızlı okuma tekniği
Her ne kadar yeni DNA koruma teknolojisi, DNA zincirindeki baz dizilerini manipüle etmese de ve şu anda yalnızca tek tek sitozin yapı bloklarını epigenetik modele göre değiştirse de, sonuçları normal DNA dizileyicilerle hala okunabiliyor. Nano gözenek sıralayıcıları kullanan hızlı okuma teknolojisi de aynı şekilde çalışır. Yeni cihaz teknolojisi sayesinde 2015'ten bu yana daha geniş bir kullanıcı yelpazesine sahip olan bu nispeten yeni teknolojide, çift sarmallı DNA, tek tek sarmallara bölünüyor ve bunlardan biri, nanogözenek adı verilen biyolojik bir kanal aracılığıyla kanalize ediliyor.
Gerçek sıralama, nanogözeneğe bir elektrik voltajı uygulanarak elde edilir. Nanogözenekler tünel oluştururken, dört nükleotidin her biri (DNA zincirindeki orijinal olarak tamamlanmış baz çiftlerinin her bir yarısı), iyon akışında spesifik bir modeli geride bırakır. Bundan orijinal temel dizi gerçek zamanlı olarak türetilebilir. Epigenetik olarak metillenmiş sitozin de bu sıralama tekniğiyle özellikle tanınabilir.
Moleküler hesaplama alanına girin
Her ne kadar DNA hafızaları başlangıçta mevcut bilgisayar sistemleriyle kullanılmak üzere tasarlanmış olsa da, araştırmacılar başka bir gelişme yönü görüyorlar. Gelecekteki uygulamalarda, verilerin aynı ortamda saklanabilmesi, işlenebilmesi ve hatta hesaplanabilmesi için DNA depolamayı moleküler hesaplama sistemleriyle birleştirmek düşünülebilir. Bu, DNA'yı saf bir depolama molekülünden veri işlemede aktif bir katılımcıya dönüştürecektir. Uzak gelecekte biyoenformatik olarak adlandırılan bilim, veri depolamayı biyolojik işlevlerle kusursuz bir şekilde birleştirebilir.
Her şeyden önce Epi-Bit sistemi basit bir dijital veri depolama cihazı olarak tasarlanmıştır. Hao, c't'ye şunları söylüyor: “Bunu yüksek yoğunluklu, uzun vadeli veri depolamaya yönelik harici bir sabit disk olarak düşünebilirsiniz.” Ancak pratik uygulama için hızın yine de arttırılması gerekmektedir. Eski USB sürücüleri bile milyarlarca kat daha hızlı hızlara ulaşırken, modern SSD'ler çok daha hızlıdır.
(tarım)