Badania ujawniają potencjał systemów struktury danych opartych na DNA

Badania Uniwersytetu Newcastle dostarczają ważnych informacji na temat przekształcania DNA w przyjazną dla środowiska strukturę danych, która organizuje dane jak tradycyjne komputery.

Zespół kierowany przez naukowców z Newcastle University School of Computing stworzył nowe dynamiczne struktury danych DNA zdolne do przechowywania i wyszukiwania informacji w uporządkowany sposób z cząsteczek DNA. Przeanalizowali również, w jaki sposób te struktury mogą wchodzić w interakcje z zewnętrznymi obwodami obliczeniowymi DNA.

Publikując swoje odkrycia w czasopiśmie Nature Communications, naukowcy prezentują implementację in vitro struktury danych stosu przy użyciu polimeraz DNA. Opracowany jako system reakcji chemicznej DNA, system stosu jest w stanie rejestrować kombinacje dwóch różnych sygnałów DNA (0 i 1), edytować sygnały w roztworze w odwrotnej kolejności, a następnie ponownie rejestrować.

Stos, który jest liniową strukturą danych, która podąża za określoną kolejnością wykonywania operacji, przechowuje i pobiera informacje (nici sygnałowe DNA) w ostatniej kolejności wstawionej jako pierwsze przez budowanie i skracanie „polimerów” DNA z poszczególnych nici ssDNA. Ta struktura danych stosu może ostatecznie zostać osadzona między innymi w kontekście przechowywania mRNA in vivo i odwrócenia kolejności czasowej odpowiedzi translacyjnej.

Profesor Natalio Krasnogor z Newcastle University School of Computing, który kierował badaniem, wyjaśnia: „Nasza cywilizacja jest głodna danych i wszystko, czego potrzeba do przetwarzania informacji, to wywieranie silnego wpływu na środowisko. Na przykład technologie cyfrowe zanieczyszczają bardziej niż lotnictwo branża, w której korzysta z najlepszych 7000 centrów Dane na świecie stanowią około 2% światowej energii elektrycznej i wszyscy słyszeliśmy o śladzie ekologicznym niektórych kryptowalut.

„W ostatnich latach DNA okazało się doskonałym podłożem do przechowywania danych, a DNA jest odnawialnym i zrównoważonym zasobem. W Newcastle jesteśmy pasjonatami zrównoważonego rozwoju i dlatego chcieliśmy zacząć robić małe kroki w przetwarzaniu zielonych informacji molekularnych przez projektowanie w DNA i wykraczając poza zwykłe przechowywanie danych”. Chcieliśmy mieć możliwość ich uporządkowania. W informatyce struktury danych są podstawą wszystkich algorytmów, które kierują naszą nowoczesną gospodarką; to dlatego, że potrzebny jest sposób na ujednolicony, ujednolicony sposób pracy na przechowywanych danych To właśnie umożliwiają struktury danych Jako pierwsi zademonstrowaliśmy molekularną realizację tego Krytycznego składnika ery nowoczesnej informacji.

Współautorka badania, dr Annunziata Lupiccolo, Research Associate w Center for Synthetic Biology and Bioeconomics na Newcastle University, dodała: „Jeśli zaczniemy myśleć o przechowywaniu danych, nasze umysły natychmiast wizualizują elektroniczne chipy, dyski USB i wiele innych technologii, które Jednak w ciągu ostatnich kilku lat biolodzy rzucili wyzwanie sektorowi nośników do przechowywania danych, pokazując, że natura DNA, jako wysoce stabilnego i elastycznego nośnika, może funkcjonować raczej jako czwartorzędowa niż binarna, magazyn danych Sygnały programowalne, o liniowej i ustrukturyzowanej strukturze danych Nasza praca poszerza wiedzę w kontekście przetwarzania informacji w nanoskali.”

Współautor badania, dr Harold Fellerman, wykładowca w Newcastle University School of Computing, dodał: „Nasza struktura danych biomolekularnych, w której dane i procesy są reprezentowane przez krótkie fragmenty DNA, została zaprojektowana z myślą o zastosowaniach biologicznych. Takie urządzenie do zastosowania wewnątrz żywej komórki, np. bakterii, pozwala na doprowadzenie mocy obliczeniowej do pól, które są obecnie trudno dostępne za pomocą tradycyjnej elektroniki opartej na krzemie.W przyszłości takie struktury danych mogłyby być wykorzystywane w monitorowanie środowiska, bioremediacja, ekologiczna produkcja, a nawet spersonalizowana nanomedycyna”.

Współautor badania, dr Benjamin Shirt-Edis, pracownik naukowy, Newcastle University School of Computing, powiedział: „Opracowanie modelu obliczeniowego chemii DNA i obserwowanie dobrej zgodności z wynikami eksperymentów wychodzącymi z laboratorium było naprawdę ekscytujące. model obliczeniowy pozwolił nam poradzić sobie z wydajnością struktury danych.Stos DNA – możemy systematycznie badać jego bezwzględne granice i proponować przyszłe możliwości ulepszeń.”

Eksperymentalny system stosu DNA stanowi dowód na to, że chemia polimerazy DNA może być wykorzystywana jako dynamiczna struktura danych do przechowywania dwóch rodzajów sygnałów DNA w kolejności ostatni, pierwszy. Chociaż potrzebne są dalsze badania, aby określić najlepszy możliwy sposób archiwizacji i dostępu do danych opartych na DNA, badanie podkreśla ogromny potencjał tej technologii i sposób, w jaki może ona pomóc w sprostaniu szybko rosnącym wymaganiom dotyczącym danych.

Odniesienie:

1. Annunziata Lupiccolo, Ben Chert Ides, Emanuela Torelli, Abimbola Viesara Adedeje Ollolana, Matteo Castronovo, Harold Fellerman, Natalio Krasnogor. Ułożona struktura danych typu „ostatnie weszło, pierwsze wyszło, pierwsze wyszło” w DNA. Komunikacja przyrodnicza, 2021; 12 (1) dwa: 10.1038 / s41467-021-25023-6