Schijnbaar geïnspireerd door een combinatie van de boekdrukkunst en de erfelijkheid hebben wetenschappers een methode ontwikkeld om gegevens exponentieel veel sneller op te slaan in DNA-strengen. Deze innovatie heeft de potentie om een revolutie teweeg te brengen in de dataopslagindustrie en kan het mogelijk maken om informatie kosteneffectief voor decennia of zelfs millennia te archiveren.
De uitvinding van de drukpers en losse drukletters in de 15e eeuw door Johannes Gutenberg leidde tot een ongekende verspreiding van kennis en informatie, wat de weg vrijmaakte voor de renaissance. Nu, eeuwen later, hebben onderzoekers dit concept op moleculair niveau toegepast om de snelheid van het coderen van gegevens in DNA-strengen dramatisch te verhogen. En weer zou dit kunnen leiden tot een enorme schaalvergroting in de opslag van informatie.
"Het is een werkelijk prachtig bewijs van het concept en een significante verbetering ten opzichte van eerdere DNA-dataopslagmethoden," zegt Kun Zhang, genomica-expert bij Altos Labs. Jeff Nivala, biofysicus aan de Universiteit van Washington, voegt toe: "Het omzeilt een belangrijke hindernis in DNA-dataopslag die vereist dat DNA vanaf nul wordt gesynthetiseerd."
DNA heeft de potentie om als het ultieme opslagmedium te dienen. Een enkele gram DNA kan tot 215 petabytes aan gegevens opslaan, wat overeenkomt met 10 miljoen uur aan HD video. Theoretisch zou een handvol DNA alle gegevens kunnen bevatten die de mensheid ooit heeft gecreëerd. Bovendien is DNA ongelooflijk duurzaam. Waar traditionele harde schijven na enkele jaren degraderen, kan DNA onder de juiste omstandigheden millennia overleven.
Hoewel het uitlezen van DNA dankzij moderne sequencing-technologieën relatief snel en efficiënt is, ligt de uitdaging in het schrijven van gegevens naar DNA. Traditionele methoden vereisen het synthetiseren van DNA-strengen nucleotide voor nucleotide, een tijdrovend en duur proces. De snelste huidige DNA-synthesizers kunnen ongeveer 320 miljoen bytes per dag produceren, wat zou betekenen dat het bijna 2 miljoen jaar zou duren om een gram DNA volledig te beschrijven.
Long Qian en zijn team van de Universiteit van Peking hebben deze uitdaging aangepakt door inspiratie te putten uit het concept van losse drukletters. Ze creëerden een systeem waarin lange, gestandaardiseerde enkelstrengs DNA-moleculen dienen als het ‘papier’ en korte DNA-blokjes van 24 basenparen fungeren als de ‘drukletters’. Elk blokje is ontworpen om te binden aan een specifieke locatie op de DNA-sjabloon.
Het team maakte gebruik van methylatie, een natuurlijk proces waarbij methylgroepen aan DNA worden toegevoegd om genexpressie te reguleren. In hun systeem coderen gemethyleerde blokjes voor een digitale 1 en ongemethyleerde blokjes voor een 0. Door specifieke combinaties van blokjes te selecteren, kunnen ze elke gewenste digitale informatie coderen.
In een oplossing binden deze blokjes snel en specifiek aan hun complementaire sequenties op de sjabloon. Vervolgens wordt een enzym, methyltransferase, toegevoegd dat de methylgroepen van de blokjes kopieert naar de corresponderende plaatsen op de sjabloon. Het resultaat is een gemethyleerde DNA-streng die de gecodeerde informatie bevat en gemakkelijk kan worden uitgelezen met bestaande sequencing-technologieën.
De resultaten zijn indrukwekkend. Het team demonstreerde het schrijven en lezen van bestanden via de DNA-techniek tot bijna 270.000 bits, voldoende om hoge-resolutie afbeeldingen te coderen. Volgens Qian kan een commerciële toepassing van deze methode schrijfsnelheden tot 2 terabytes per dag bereiken, een verbetering van 6000 keer ten opzichte van de huidige technologieën.
Hoewel de huidige kosten van ongeveer $0,003 per bit hoger zijn dan die van commerciële DNA-synthesebedrijven, gelooft Qian dat optimalisaties en schaalvoordelen de kosten aanzienlijk kunnen verlagen. "Door efficiënter gebruik van reagentia en opschaling van het proces verwachten we dat de kosten zullen dalen tot een competitief niveau," stelt hij.
Het onderzoeksteam is van plan om de capaciteit en snelheid verder te verhogen door naast methylgroepen ook andere chemische markeringen te gebruiken. Dit zou het mogelijk maken om meerdere bits informatie per nucleobase te coderen, wat de gegevensdichtheid en schrijfsnelheid nog verder zou vergroten.
"Als we succes hebben met het integreren van extra chemische modificaties, kunnen we de efficiëntie van DNA-dataopslag exponentieel verhogen," zegt Qian. "Dit opent de deur naar het opslaan van enorme hoeveelheden gegevens op een duurzaam en compact medium."
De toepassing van het concept van losse drukletters op moleculair niveau illustreert hoe historische innovaties nieuw leven kunnen worden ingeblazen om hedendaagse problemen op te lossen. Met de exponentiële groei van digitale informatie is de behoefte aan efficiënte, duurzame en hoge-dichtheid opslagoplossingen urgenter dan ooit.
Deze doorbraak in DNA-dataopslag kan niet alleen de manier waarop we gegevens archiveren transformeren, maar ook bijdragen aan het behoud van kennis voor toekomstige generaties. Zoals het concept van de drukpers de wereld veranderde in de Renaissance, zou deze moderne ‘DNA-drukpers’ wel eens een revolutie kunnen ontketenen in het digitale tijdperk.
Source: Fok frontpage