Les chercheurs proposent une méthode plus rapide d’enregistrement des données pour ADN, prometteur dans les domaines du stockage de données numériques, de l’enregistrement neuronal.
Notre code génétique est des millions de fois plus efficace pour stocker des données que les solutions existantes, qui sont coûteuses et utilisent d’immenses quantités d’énergie et d’espace. En fait, nous pourrions nous débarrasser des disques durs et stocker toutes les données numériques de la planète dans quelques centaines de livres d’ADN.
L’utilisation de l’ADN comme support de stockage de données à haute densité offre le potentiel de faire des percées dans la technologie de biodétection et de bioenregistrement et dans le stockage numérique de nouvelle génération, mais les chercheurs n’ont pas été en mesure de surmonter les inefficacités qui permettraient à la technologie d’évoluer.
“La nature est bonne pour copier l’ADN, mais nous voulions vraiment pouvoir écrire l’ADN à partir de zéro.” – Keith Tyo, professeur agrégé de génie chimique et biologique
Désormais, les chercheurs de Université du nord-ouest proposer une nouvelle méthode d’enregistrement des informations dans l’ADN qui prend des minutes plutôt que des heures ou des jours. L’équipe a utilisé un nouveau système enzymatique pour synthétiser l’ADN qui enregistre les signaux environnementaux en évolution rapide directement dans des séquences d’ADN, une méthode qui, selon l’auteur principal de l’article, pourrait changer la façon dont les scientifiques étudient et enregistrent les neurones à l’intérieur du cerveau.
La recherche, “Enregistrement de signaux temporels avec une résolution en minutes à l’aide de la synthèse d’ADN enzymatique”, a été publiée le 30 septembre 2021 dans le Journal de l’American Chemical Society. L’auteur principal de l’article, Keith EJ Tyo de Northwestern Engineering, a déclaré que son laboratoire souhaitait tirer parti des capacités naturelles de l’ADN pour créer une nouvelle solution de stockage de données.
L’auteur principal de l’article, le professeur d’ingénierie de Northwestern, Keith EJ Tyo, a déclaré que son laboratoire souhaitait tirer parti des capacités naturelles de l’ADN pour créer une nouvelle solution de stockage de données.
“La nature est bonne pour copier l’ADN, mais nous voulions vraiment pouvoir écrire l’ADN à partir de zéro”, a déclaré Tyo. « La façon ex vivo (en dehors du corps) de le faire implique une synthèse chimique lente. Notre méthode est beaucoup moins chère pour écrire des informations car l’enzyme qui synthétise l’ADN peut être directement manipulée. Les enregistrements intracellulaires de pointe sont encore plus lents car ils nécessitent les étapes mécaniques de l’expression des protéines en réponse aux signaux, contrairement à nos enzymes qui sont toutes exprimées à l’avance et peuvent stocker des informations en continu.
Tyo, professeur de génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering, est membre du Center for Synthetic Biology et étudie les microbes et leurs mécanismes pour détecter les changements environnementaux et y répondre rapidement.
Contourner l’expression des protéines
Les méthodes existantes pour enregistrer des données moléculaires et numériques intracellulaires sur l’ADN reposent sur des processus en plusieurs parties qui ajoutent de nouvelles données aux séquences d’ADN existantes. Pour produire un enregistrement précis, les chercheurs doivent stimuler et réprimer l’expression de protéines spécifiques, ce qui peut prendre plus de 10 heures.
Le laboratoire de Tyo a émis l’hypothèse qu’ils pourraient utiliser une nouvelle méthode qu’ils ont appelée enregistrement non modèle sensible au temps utilisant Tdt pour les signaux environnementaux locaux, ou TURTLES, pour synthétiser un ADN complètement nouveau au lieu d’en copier un modèle, ce qui permet un enregistrement plus rapide et à plus haute résolution.
Au fur et à mesure que l’ADN polymérase continue d’ajouter des bases, les données sont enregistrées dans le code génétique sur une échelle de quelques minutes, car les changements dans l’environnement ont un impact sur la composition de l’ADN qu’elle synthétise. Les changements environnementaux, tels que les changements dans la concentration des métaux, sont enregistrés par la polymérase, agissant comme une « bande magnétique moléculaire » et indiquant aux scientifiques le moment d’un changement environnemental. L’utilisation de biocapteurs pour enregistrer les changements dans l’ADN représente une étape majeure pour prouver la viabilité des TURTLES pour une utilisation à l’intérieur des cellules, et pourrait donner aux chercheurs la possibilité d’utiliser l’ADN enregistré pour en savoir plus sur la façon dont les neurones communiquent entre eux.
“Il s’agit d’une preuve de concept vraiment passionnante pour des méthodes qui pourraient un jour nous permettre d’étudier les interactions entre des millions de cellules simultanément”, a déclaré Namita Bhan, co-premier auteur et chercheur postdoctoral au laboratoire Tyo. “Je ne pense pas qu’il y ait de système d’enregistrement de modulation enzymatique direct précédemment signalé.”
Des cellules du cerveau à l’eau polluée
Avec plus de potentiel d’évolutivité et précision, TURTLES pourrait offrir la base d’outils qui catapultent la recherche sur le cerveau. Selon Alec Callisto, également co-premier auteur et étudiant diplômé du laboratoire Tyo, les chercheurs ne peuvent étudier qu’une infime fraction des neurones du cerveau avec la technologie d’aujourd’hui, et même alors, il y a des limites à ce qu’ils savent faire. En plaçant des enregistreurs à l’intérieur de toutes les cellules du cerveau, les scientifiques pourraient cartographier les réponses aux stimuli avec une résolution unicellulaire sur de nombreux (millions) neurones.
“Si vous regardez comment la technologie actuelle évolue au fil du temps, il pourrait s’écouler des décennies avant que nous puissions même enregistrer un cerveau de cafard entier simultanément avec les technologies existantes – sans parler des dizaines de milliards de neurones dans le cerveau humain”, a déclaré Callisto. “C’est donc quelque chose que nous aimerions vraiment accélérer.”
En dehors du corps, le système TURTLES pourrait également être utilisé pour une variété de solutions pour répondre à la croissance explosive des besoins de stockage de données (jusqu’à 175 zettaoctets d’ici 2025).
C’est particulièrement utile pour les applications de données d’archivage à long terme telles que le stockage de séquences de sécurité en circuit fermé, que l’équipe appelle des données que vous «écrivez une fois et ne lisez jamais», mais dont vous devez avoir accès en cas d’incident. Grâce à la technologie développée par les ingénieurs, les disques durs et les lecteurs de disque qui contiennent des années de souvenirs de caméra bien-aimés pourraient également être remplacés par des morceaux d’ADN.
En dehors du stockage, la fonction « ticker tape » pourrait être utilisée comme biocapteur pour surveiller les contaminants environnementaux, comme la concentration de métaux lourds dans l’eau potable.
Alors que le laboratoire se concentre sur le dépassement d’une preuve de concept dans l’enregistrement numérique et cellulaire, l’équipe a exprimé l’espoir que davantage d’ingénieurs s’intéresseraient au concept et pourraient l’utiliser pour enregistrer des signaux importants pour leurs recherches.
“Nous construisons toujours l’infrastructure génomique et les techniques cellulaires dont nous avons besoin pour un enregistrement intracellulaire robuste”, a déclaré Tyo. « C’est une étape sur la voie de l’atteinte de notre objectif à long terme. »
Référence : « Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis » par Namita Bhan, Alec Callisto, Jonathan Strutz, Joshua Glaser, Reza Kalhor, Edward S. Boyden, George Church, Konrad Kording et Keith EJ Tyo, 30 septembre 2021, Journal de l’American Chemical Society.
DOI : 10.1021/jacs.1c07331
Ce travail a été financé par deux subventions du National Institutes of Health (R01MH103910 et UF1NS107697) et une subvention de formation du NIH (T32GM008449) dans le cadre du programme de formation en biotechnologie de la Northwestern University. La recherche a été financée en partie par les ressources informatiques et les contributions du personnel fournies pour l’installation de calcul haute performance Quest de la Northwestern University, qui est conjointement soutenue par le Bureau du Provost, le Bureau de la recherche et la technologie de l’information de la Northwestern University. Tout le séquençage de nouvelle génération a été réalisé avec l’aide du centre de séquençage de nouvelle génération de l’Université de l’Illinois à Chicago. Le séquençage de Sanger a été soutenu par la Northwestern University NUSeq Core Facility. L’imagerie sur gel a été soutenue par la Northwestern University Keck Biophysics Facility et une subvention de soutien au Cancer Center (NCI CA060553). Azure Sapphire Imager du Keck Biophysics Facility a été financé par une subvention du NIH (1S10OD026963-01). La purification des protéines a été soutenue par le Northwestern University Recombinant Protein Production Core.
