전기와 CRISPR을 사용하여 박테리아 DNA에 데이터를 기록합니다.
최근 몇 년 동안 연구자들은 DNA를 사용하여 운영 체제 나에게 악성 코드. 기술적 호기심이 아니라 장기적으로 데이터를 저장하기 위해 DNA의 특성을 활용하려는 진지한 시도였습니다. DNA는 수십만 년 동안 화학적으로 안정된 상태를 유지할 수 있으며이를 읽을 수있는 기술을 잃지 않을 것입니다. ZIP 드라이브 및 MO 드라이브와 같은 것에 대해서는 말할 수 없습니다.
그러나 지금까지 데이터를 DNA에 쓰는 작업은 데이터를 컴퓨터에서 일련의 규칙으로 변환 한 다음 화합물이 작동하는 순서를 배열하는 작업을 포함합니다. 유기체는 실제로 그림에 들어 가지 않습니다. 그러나 개별적으로 한 그룹의 연구자들은 세포의 DNA를 수정하여 세포의 역사를 읽을 수 있도록 생물학적 사건을 기록하는 방법을 발견했습니다. Columbia University의 한 그룹은 이제 살아있는 박테리아에 적용된 전압 차이를 사용하여 균주를 통합하고 데이터를 DNA에 쓰는 방법을 알아 냈습니다.
CRISPR 및 데이터 저장
CRISPR 시스템은 DNA에서 유전자를 완전히 편집하거나 잘라내는 방법으로 개발되었습니다. 그러나이 시스템은 새로운 염기 서열을 DNA에 도입했기 때문에 처음으로 생물 학자들을 포착했습니다. 자세한 내용은 우리의 귀족을 덮으십시오그러나 지금은 CRISPR 시스템의 일부가 바이러스의 DNA를 식별하고 바이러스가 다시 나타날 경우이를 식별하기 위해 바이러스의 DNA를 박테리아 게놈에 삽입하는 작업을 포함한다는 것을 알아야합니다.
콜롬비아의 그룹은 이것을 사용하여 박테리아의 기억을 기록하는 방법을 알아 냈습니다. 설탕과 같은 특정 화학 물질에 반응하여 유전자를 활성화하는 과정이 있다고 가정 해 보겠습니다. 연구원들은 플라스미드라고 불리는 원형 DNA 조각을 복사하는 시스템을 활성화하기 위해 이것을 전환했습니다. 빌드 번호가 증가하면 CRISPR 시스템을 활성화했습니다. 상황을 감안할 때 플라스미드 DNA의 사본이 게놈에 도입되었을 가능성이 더 큽니다. 설탕이 없으면 일반적으로 다른 것으로 들어갑니다.
이 시스템을 통해 과거에 박테리아가 당에 노출 된 적이 있는지 확인할 수있었습니다. CRISPR은 당신이 원할 때 항상 무언가를 보여주지는 않지만 평균적으로 실행되기 때문에 완벽하지는 않습니다. 따라서 평균적인 이벤트 순서를 알기 위해 충분한 수의 박테리아 만 배열하면됩니다.
이를 데이터 저장에 적용하기 위해 연구진은 두 개의 플라스미드를 사용했습니다. 하나는 위에 표시된 것과 동일합니다. 특정 신호가 없을 때는 낮은 레벨에서 발견되고 신호가있을 때는 매우 높은 레벨에서 발견됩니다. 두 번째는 항상 중간 수준으로 존재합니다. CRISPR 기술이 활성화되면 아래 다이어그램과 같이 더 높은 수준의 플라스미드 시퀀스를 도입하는 경향이 있습니다.
존 티머
그 자체로는 1 비트 만 저장합니다. 그러나이 과정을 반복하여 신호가 존재하는지 여부를 결정하면서 적색 및 청색 플라스미드에서 파생 된 일련의 삽입 인 DNA의 확장을 생성 할 수 있습니다.
흔들어
이것은 깔끔한 시스템이지만 우리가 일반적으로 데이터를 생성하는 것과 연관되는 종류와는 거리가 멀다. 센서 판독 또는 계산의 산물이 박테리아 그룹과 혼합 된 설탕 또는 항생제 인 경우는 드뭅니다. 박테리아가 전기 신호에 반응하도록하는 것은 비교적 간단합니다. 대장균 산화 또는 환원 화학 환경에 있는지 여부에 따라 유전자의 활성을 변경할 수 있습니다. 연구원은 박테리아가있는 농장의 특정 화학 물질에 스트레스 차이를 적용하여 환경을 변경할 수 있습니다.
보다 구체적으로, 전위차는 페로시 아나이드라고하는 화학 물질의 산화 상태를 변경합니다. 이로 인해 박테리아가 유전자 활동을 변경하게되었습니다. 이러한 유전자와 동일한 신호에 반응하도록 플라스미드를 설계함으로써 연구자들은 다른 전위를 적용하여 플라스미드 수준을 제어 할 수있었습니다. 그런 다음이 세포에서 CRISPR 시스템을 활성화하여이 플라스미드의 수준을 기록 할 수 있습니다.
확장의 ID에 따라 문자열의 각 항목이 0 또는 1로 간주되는 방법을 쉽게 알 수 있습니다. 그러나이 시스템은 완벽하지 않다는 것을 기억하십시오. 정기적으로 CRISPR 기술은 활성화 될 때 아무것도 입력하지 않으며 이후의 모든 비트를 대체 할 수 있습니다. 이 프로세스는 임의적이므로 인코딩하려는 비트 문자열이 길수록 적어도 하나는 건너 뛸 가능성이 높습니다.
이 문제를 줄이기 위해 연구진은 각 박테리아 그룹에 대해 데이터를 3 비트로 유지했습니다. 그때까지 그들은 모집단에 존재하는 시퀀스의 평균을 기반으로 가장 확률이 높은 비트 문자열을 재구성하기 위해 중앙값 학습 알고리즘을 훈련해야했습니다. 그러나 시스템은 약 6 %의 시간 동안 비트 문자열을 인식하지 못합니다. 결국 그들은 오류 수정을 허용하기 위해 처음 두 개를 합한 패리티 비트를 사용하기로 결정한 다음 많은 그룹을 병렬로 편집했습니다.
(각 그룹에 “바코드”플라스미드라고하는 고유 한 서열 태그를 부여함으로써, 비트를 인코딩 한 후 이들 중 많은 것을 하나의 그룹으로 혼합하고 DNA가 서열화되면 모든 것을 계속 해독 할 수있었습니다).
모든 것이 제자리에 있으면 “Hello world!”를 저장하고 읽습니다. 그들은 심지어 일주일 동안 일부 재배 토양에 박테리아를 넣어 메시지를 복구 할 수 있음을 보여주었습니다. (냉장고에 보관하는 것이 가장 좋습니다.) 그들은 메시지가 최대 80 세대의 박테리아에 대해 보관 될 수 있다고 추정합니다.
명확하게하자. 현재 형태의 저장 매체로서 이것은 매우 끔찍하다. DNA에 약간의 데이터를 넣으면 DNA가 화학적으로 합성되면 훨씬 더 좋을 것입니다. 그러나 우리가 전기 신호에서 변형 된 DNA로 직접 갈 수 있다고 생각하는 것은 흥미롭고, 시스템이 구축 된 지금 시스템을 개선 할 수있는 방법이있을 수 있습니다.
화학적 성질의 생물학DOI : 2021. 10.1038 / s41589-020-00711-4 (DOI 정보).