Efficienti come possono essere i sistemi di archiviazione elettronica dei dati, non possono competere con la versione naturale del DNA. Una nuova tecnica per scrivere dati sul DNA funziona come una macchina da stampa e rende il processo così semplice che chiunque potrebbe farlo.
Scrivere dati sul DNA di solito comporta la sintesi di filamenti una lettera alla volta, come infilare perle su un filo. Questo è ovviamente un processo molto lento, specialmente quando ci possono essere miliardi di quelle lettere, o basi, in una determinata sequenza di DNA. Ma la nuova macchina da stampa per il DNA accelera drasticamente il processo.
Il team ha creato un set di 700 mattoncini di DNA, ognuno contenente 24 basi, che funzionano come pezzi mobili di caratteri tipografici. Questi possono essere disposti nell’ordine desiderato e poi utilizzati per ‘stampare’ i loro dati sui filamenti di DNA template. Piuttosto che scrivere un bit alla volta, questa macchina da stampa accelera fino a 350 bit contemporaneamente, per reazione.
Per semplificare il processo, i dati non sono codificati nelle solite lettere GCAT del DNA, ma nei familiari uno e zero del codice binario. In questo caso, sono stati attaccati marcatori chimici ad alcuni mattoncini di DNA ma non ad altri: quelli con marcatori rappresentavano gli uni, e quelli senza erano gli zeri.
Il team ha testato la tecnica memorizzando immagini, tra cui 16.833 bit per un antico sfregio cinese di una tigre e una foto di un panda composta da oltre 252.500 bit. Dopo alcuni aggiustamenti, il 100 percento dei dati poteva essere recuperato utilizzando metodi standard di lettura del DNA.
Per dimostrare quanto potesse essere semplice da usare, il team ha condotto un esperimento con 60 persone. I partecipanti hanno utilizzato una piattaforma software chiamata iDNAdrive per codificare pezzi di testo a loro scelta, per un totale di circa 5.000 bit. I dati sono stati letti con successo con un’accuratezza del 98,58 percento.
L’attrattiva dell’archiviazione dei dati nel DNA è evidente. Per prima cosa è incredibilmente densa: è stato stimato che si potrebbero archiviare più di 10 miliardi di gigabyte di dati in soli 1 cm3 di DNA. Meglio ancora, conservati nelle giuste condizioni, questi dati possono durare migliaia o addirittura milioni di anni, rendendolo un ottimo sistema di archiviazione.
Leggere i dati dal DNA è relativamente veloce, ma la scrittura è il collo di bottiglia. Lo stesso si potrebbe dire del testo nell’antichità, quindi i ricercatori del nuovo studio hanno applicato una soluzione simile. L’invenzione della stampa a caratteri mobili ha permesso la produzione di massa dei primi testi. Caratteri individuali su piccoli timbri potevano essere disposti in grandi blocchi, per stampare molte copie rapidamente.
L’ispirazione per i caratteri mobili molecolari è venuta dal modo in cui le nostre stesse cellule memorizzano ed elaborano i dati. Ogni cellula nel tuo corpo contiene il tuo genoma completo. Ciò che differenzia le cellule nei vari tessuti è uno strato aggiuntivo di informazioni chiamato epigenoma. I marcatori chimici attaccati indicano quali geni devono essere attivati o disattivati per consentire alle cellule di svolgere ruoli diversi.
Per metterla in altri termini, se il tuo corpo fosse un’azienda, ogni dipendente riceverebbe lo stesso manuale, ma i diversi dipartimenti – cervello, fegato, pelle, eccetera – hanno capitoli diversi evidenziati, in modo che le cellule conoscano le informazioni specifiche di cui hanno bisogno per svolgere i loro compiti.
Per la nuova macchina da stampa per il DNA, questi marcatori, o gruppi metilici, contengono le informazioni che vengono scritte e lette. I mattoncini di DNA sono i pezzi di caratteri mobili, e i filamenti di DNA template vuoti sono il supporto. Quando è necessaria una certa sequenza, i mattoncini corrispondenti vengono selezionati e posizionati in soluzione con il template.
Una volta lì, i mattoncini si legano a regioni specifiche lungo il template di DNA. Infine arriva l’inchiostro. Un enzima copia tutti i gruppi metilici dai mattoncini su ogni parte del template di DNA. Successivamente, un dispositivo di sequenziamento a nanopori può leggere il modello di uni e zeri per ricreare i file digitali memorizzati.
Poiché i mattoncini si auto-assemblano sul filamento di DNA template, molta scrittura avviene contemporaneamente, anziché bit per bit. Accelerare il processo e renderlo accessibile anche ai non scienziati potrebbe aiutare il DNA a diventare un mezzo di archiviazione dati valido. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature.
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