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Nuestro código genético es millones de veces más eficiente a la hora de almacenar datos que las soluciones existentes, que son costosas y utilizan inmensas cantidades de energía y espacio. De hecho, podríamos deshacernos de los discos duros y almacenar todos los datos digitales del planeta en un par de cientos de kilos de ADN.
El uso del ADN como medio de almacenamiento de datos de alta densidad tiene el potencial de forjar avances en la tecnología de biosensores y biorregistros y en el almacenamiento digital de próxima generación, pero los investigadores no han podido superar las ineficiencias que permitirían ampliar la tecnología.
Ahora, investigadores de la Universidad Northwestern proponen un nuevo método para grabar información en el ADN que tarda minutos, en lugar de horas o días, en completarse. El equipo utilizó un novedoso sistema enzimático para sintetizar ADN que graba señales ambientales que cambian rápidamente directamente en secuencias de ADN, un método que, según el autor principal del artículo, podría cambiar la forma en que los científicos estudian y graban las neuronas dentro del cerebro.
La investigación, titulada "Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis", se publicó el jueves (30 de septiembre) en la revista Journal of the American Chemical Society.
"La naturaleza es buena para copiar el ADN, pero nosotros queríamos ser capaces de escribirlo desde cero", dijo Tyo. "La forma ex vivo (fuera del cuerpo) de hacerlo implica una síntesis química lenta. Nuestro método es mucho más barato para escribir información porque la enzima que sintetiza el ADN puede manipularse directamente". Las grabaciones intracelulares de última generación son aún más lentas porque requieren los pasos mecánicos de la expresión de proteínas en respuesta a las señales, a diferencia de nuestras enzimas, que se expresan con antelación y pueden almacenar información continuamente".
Tyo, profesor de ingeniería química y biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick, es miembro del Centro de Biología Sintética y estudia los microbios y sus mecanismos para percibir los cambios ambientales y responder a ellos rápidamente.
Evitar la expresión de proteínas
Los métodos existentes para grabar datos moleculares y digitales intracelulares en el ADN se basan en procesos de varias partes que añaden nuevos datos a las secuencias existentes de ADN. Para producir un registro preciso, los investigadores deben estimular y reprimir la expresión de proteínas específicas, lo que puede llevar más de 10 horas.
El laboratorio de Tyo planteó la hipótesis de que podrían utilizar un nuevo método al que llamaron Registro no templado sensible al tiempo utilizando Tdt para señales ambientales locales, o TURTLES, para sintetizar ADN completamente nuevo en lugar de copiar una plantilla del mismo, lo que permitiría realizar un registro más rápido y de mayor resolución.
A medida que la ADN polimerasa sigue añadiendo bases, los datos se registran en el código genético en una escala de minutos, ya que los cambios en el entorno afectan a la composición del ADN que sintetiza. Los cambios ambientales, como los cambios en la concentración de metales, son registrados por la polimerasa, actuando como una "cinta de teletipo molecular" e indicando a los científicos el momento de un cambio ambiental. El uso de biosensores para registrar los cambios en el ADN representa un paso importante para probar la viabilidad de TURTLES para su uso dentro de las células, y podría dar a los investigadores la capacidad de utilizar el ADN registrado para aprender sobre cómo se comunican las neuronas entre sí.
"Se trata de una prueba de concepto realmente emocionante para los métodos que un día podrían permitirnos estudiar las interacciones entre millones de células simultáneamente", afirma Namita Bhan, coautora e investigadora postdoctoral en el laboratorio de Tyo. "Creo que no hay ningún sistema de registro de modulación enzimática directa del que se haya informado anteriormente".
De las células cerebrales al agua contaminada
Con más potencial de escalabilidad y precisión, TURTLES podría ofrecer la base de herramientas que catapulten la investigación del cerebro. Según Alec Callisto, también cofundador y estudiante de posgrado en el laboratorio de Tyo, los investigadores sólo pueden estudiar una pequeña fracción de las neuronas de un cerebro con la tecnología actual, e incluso así, hay límites en lo que saben que hacen. Colocando grabadoras en el interior de todas las células del cerebro, los científicos podrían trazar un mapa de las respuestas a los estímulos con una resolución unicelular en muchas (millones) de neuronas.
"Si nos fijamos en cómo se escala la tecnología actual en el tiempo, podrían pasar décadas antes de que podamos registrar simultáneamente todo el cerebro de una cucaracha con las tecnologías existentes, por no hablar de las decenas de miles de millones de neuronas de los cerebros humanos", dijo Callisto. "Así que eso es algo que realmente nos gustaría acelerar".
Fuera del cuerpo, el sistema TURTLES también podría utilizarse para una variedad de soluciones para hacer frente al crecimiento explosivo de las necesidades de almacenamiento de datos (hasta 175 zettabytes en 2025).
Es especialmente bueno para aplicaciones de archivo de datos a largo plazo, como el almacenamiento de grabaciones de seguridad en circuito cerrado, a las que el equipo se refiere como datos que "se escriben una vez y no se leen nunca", pero que es necesario tener accesibles en caso de que se produzca un incidente. Con la tecnología desarrollada por los ingenieros, los discos duros y las unidades de disco que guardan años de memorias de cámaras queridas también podrían ser sustituidos por trozos de ADN.
Fuera del almacenamiento, la función de "cinta de teletipo" podría utilizarse como biosensor para controlar contaminantes ambientales, como la concentración de metales pesados en el agua potable.
Mientras el laboratorio se centra en ir más allá de una prueba de concepto en el registro digital y celular, el equipo expresó su esperanza de que más ingenieros se interesen por el concepto y puedan utilizarlo para registrar señales importantes para su investigación.
"Todavía estamos construyendo la infraestructura genómica y las técnicas celulares que necesitamos para una grabación intracelular robusta", dijo Tyo. "Este es un paso en el camino para llegar a nuestro objetivo a largo plazo".
Fuentes, créditos y referencias:
Namita Bhan et al, Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis, Journal of the American Chemical Society (2021). DOI: 10.1021/jacs.1c07331