DNA-basierte Information ist ein neues interdisziplinäres Feld, das Informationstechnologie und Biotechnologie verbindet. Das Feld hofft, den enormen Bedarf an langfristiger Datenspeicherung durch die Verwendung von DNA als Informationsspeichermedium zu decken. Trotz des Versprechens der DNA von starker Stabilität, hoher Speicherdichte und geringen Wartungskosten stehen Forscher jedoch vor Problemen beim genauen Umschreiben digitaler Informationen, die in DNA-Sequenzen kodiert sind.
Im Allgemeinen hat die DNA-Datenspeichertechnologie zwei Modi, dh den „In-vitro-Festplattenmodus“ und den „In-vivo-CD-Modus“. Der Hauptvorteil des In-vivo-Modus ist seine kostengünstige, zuverlässige Replikation chromosomaler DNA durch Zellreplikation. Aufgrund dieser Eigenschaft kann es für eine schnelle und kostengünstige Verbreitung von Datenkopien verwendet werden. Da codierte DNA-Sequenzen für einige Informationen eine große Anzahl von Wiederholungen und das Auftreten von Homopolymeren enthalten, können solche Informationen jedoch nur „geschrieben“ und „gelesen“, aber nicht genau „umgeschrieben“ werden.
Um das Umschreibungsproblem zu lösen, führten Prof. Liu Kai vom Department of Chemistry der Tsinghua University, Prof. LI Jingjing vom Changchun Institute of Applied Chemistry (CIAC) der Chinese Academy of Sciences und Prof. Chen Dong von der Zhejiang University ein Forschungsteam, das kürzlich ein Dual-Plasmid-Bearbeitungssystem zur genauen Verarbeitung digitaler Informationen in einem mikrobiellen Vektor entwickelt hat. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Die Forscher etablierten in vivo ein Dual-Plasmid-System unter Verwendung eines rational entworfenen Codierungsalgorithmus und eines Informationsbearbeitungswerkzeugs. Dieses Dual-Plasmid-System eignet sich zum Speichern, Lesen und Umschreiben verschiedener Arten von Informationen, darunter Text, Codebücher und Bilder. Es untersucht vollständig die Codierungsfähigkeit von DNA-Sequenzen, ohne dass Adressindizes oder Backup-Sequenzen erforderlich sind. Es ist auch mit verschiedenen Arten von Codieralgorithmen kompatibel, wodurch eine hohe Codiereffizienz ermöglicht wird. Beispielsweise erreicht die Codierungseffizienz des aktuellen Systems 4,0 Bits pro Nukleotid.
Um eine hohe Effizienz sowie Zuverlässigkeit beim Umschreiben komplexer Informationen zu erreichen, die in exogenen DNA-Sequenzen in vivo gespeichert sind, wurden eine Vielzahl von CRISPR-assoziierten Proteinen (Cas) und Rekombinase verwendet. Die Werkzeuge wurden von ihrer entsprechenden CRISPR-RNA (crRNA) geleitet, um einen Zielort in einer DNA-Sequenz zu spalten, sodass die spezifischen Informationen adressiert und umgeschrieben werden konnten. Aufgrund der hohen Spezifität zwischen komplementären Paaren von Nukleinsäuremolekülen wurden die informationscodierten DNA-Sequenzen durch Rekombinase genau rekonstruiert, um neue Informationen zu codieren. Durch die Optimierung der crRNA-Sequenz wurde das Tool zur Umschreibung von Informationen hochgradig anpassungsfähig an komplexe Informationen, was zu einer Umschreibungszuverlässigkeit von bis zu 94 % führte, was mit bestehenden Gen-Editing-Systemen vergleichbar ist.
Das Dual-Plasmid-System kann als universelle Plattform für das DNA-basierte Umschreiben von Informationen in vivo dienen und bietet somit eine neue Strategie für die Informationsverarbeitung und das zielspezifische Umschreiben großer und komplizierter Daten auf molekularer Ebene.
„Wir glauben, dass diese Strategie auch in einem lebenden Wirt mit einem größeren Genom wie Hefe angewendet werden kann, was den Weg für praktische Anwendungen in Bezug auf die Speicherung großer Datenmengen weiter ebnen würde“, sagte Prof. Liu.
Yangyi Liu et al, In-vivo-Verarbeitung digitaler Informationen auf molekularer Ebene mit gezielter Spezifität und robuster Zuverlässigkeit, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo7415. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo7415