Naukowcy opisali DNA jako plan życia. Nanotechnologia DNA okazała się potężnym narzędziem w wielu dziedzinach nauki i technologii, w tym w nanoelektronice, obliczeniach molekularnych, biomedycynie i wykrywaniu chemicznym. Niniejszy artykuł koncentruje się na przyszłych zastosowaniach związanych z nanotechnologią DNA.
Źródło zdjęcia: elenabsl / Shutterstock.com
Krótki przegląd nanotechnologii DNA
Nanotechnologia DNA obejmuje rozwój syntetycznych genomów DNA. Ze względu na swoje unikalne właściwości chemiczne i strukturalne DNA jest wykorzystywany jako programowalny materiał do kontrolowanej syntezy syntetycznych nanostruktur DNA. Te nanostruktury mają kilka podstawowych właściwości, w tym funkcje programowalne, kontrolowaną wielkość i biokompatybilność.
W ciągu ostatniej dekady dziedzina nanotechnologii DNA nieustannie rozwijała się w badaniach obliczeniowych i eksperymentalnych. W przeciwieństwie do konwencjonalnych nanomateriałów, nanostruktury DNA mają wiele zalet. Na przykład są niecytotoksyczne, biokompatybilne i biodegradowalne. Naukowcy mogą precyzyjnie dostroić powierzchnię nanostruktur DNA w kontrolowany sposób z zachowaniem swoistości molekularnej.
Nanostruktury DNA, w szczególności origami DNA, można złożyć w dokładny kształt i rozmiar, a tym samym zmodyfikować w celu uzyskania pożądanych funkcji biologicznych. Origami DNA polega na fałdowaniu długich pojedynczych nici DNA w pożądany kształt nano poprzez hybrydyzację z krótkimi nićmi staplowymi składającymi się z unikalnych sekwencji.
Nanotechnologia DNA i przyszłe zastosowania
Nanotechnologia DNA jest szeroko stosowana do opracowywania nowych terapii, bioczujników, bioobrazowania i wielu strategii obliczeniowych. Rozwój nanotechnologii, zwłaszcza nanotechnologii DNA, zmienił obecny krajobraz biologii. Na przykład DNA jest wykorzystywane poza sferą genetyki.
Obecna era informacji była świadkiem ogromnej ilości generowanych danych cyfrowych, które należy zachować, aby wiedza nie została utracona i aby przyszłe pokolenie miało do niej dostęp. Syntetyczne DNA ma potencjał do wielu nowych zastosowań, z których niektóre omówiono poniżej:
technologia cyfrowa
Naukowcy uważają, że nanotechnologia DNA odgrywa ważną rolę w zachowywaniu informacji biologicznych z przeszłości, dzięki czemu naukowcy mogą śledzić historię ewolucji, identyfikować osoby z 530-letnich szczątków, śledzić ogniska chorób w przeszłości i nie tylko.
W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat nastąpił znaczący rozwój w dziedzinie technologii danych, takich jak przesyłanie, przetwarzanie i przechowywanie informacji. Naukowcy są przekonani, że wykorzystanie DNA do przechowywania informacji może stanowić kolejny postęp technologiczny w dziedzinie przechowywania i komunikacji danych.
W porównaniu z obecnymi platformami optycznymi i magnetycznymi, DNA ma 1 000 000 razy większą pojemność przechowywania danych. Badanie wykazało, że syntetyczne DNA zapewnia stałe utrzymywanie danych.
Mówiąc najprościej, dane przechowywane w syntetycznym DNA nie podlegają niepożądanej zmianie sekwencji lub ewolucji. Do tych danych nie można uzyskać zdalnego dostępu za pomocą usługi internetowej.
Dane przechowywane w DNA mogą być przechowywane przez setki lat; Na przykład skamieniała kość z okresem półtrwania 521 lat może przechowywać ważne informacje. Naukowcy przeprowadzili pełną sekwencję starożytnego konia, który żył około 560 000-780 000 lat temu. Badania przewidziały możliwość odzyskania danych cyfrowych przechowywanych w DNA po ponad dwóch milionach lat.
Naukowcy odkryli, że dane zakodowane w DNA można odtwarzać wykładniczo, szybko i niedrogo przy użyciu metod amplifikacji polimerazy. Co ważne, syntetyczne DNA jako jednostka przechowująca informacje nie jest technologicznie przestarzałe. W przeciwieństwie do tego, szybka zmiana technologii cyfrowych wymaga ciągłej modernizacji gadżetów elektronicznych.
Połączenia DNA
W 1999 roku dr Carter Bancroft i współpracownicy wykazali, że DNA może być wykorzystywane do komunikacji. W komunikacji danych bezpieczeństwo danych jest ważniejsze niż szybkość. Obecnie transfer informacji do DNA to żmudny i czasochłonny proces. Jednak syntetyczne DNA może przechowywać zakodowane informacje, podobnie jak komunikacja cyfrowa.
Jedną z głównych zalet wykorzystania DNA do przesyłania danych jest to, że nie jest ono widoczne gołym okiem. Ponadto tylko fachowiec może wyodrębnić dane z DNA. Dlatego DNA może być używane jako poufne medium komunikacyjne o najwyższym poziomie bezpieczeństwa do przesyłania ważnych informacji. Co ważne, informacje można łączyć na dwa sposoby, na przykład jako bezpośrednią sekwencję i jako trójwymiarową strukturę zmontowanych cząsteczek DNA.
Bancroft i współpracownicy ujawnili, że DNA można wykorzystać do zaszyfrowanych wiadomości. Zbudowali klucz kryptograficzny na podstawie tabeli zastępczej, która zaszyfrowała „Inwazję z 6 czerwca: Normandia”. Kod ten dodatkowo zabezpieczono przez zmieszanie kodującej sekwencji DNA z niekodującym DNA. Ta koncepcja jest podobna do koncepcji steganografii. Wiadomość DNA była przechowywana w wydrukowanej mikrokropce, którą można było odczytać za pomocą amplifikacji i sekwencjonowania reakcji łańcuchowej polimerazy. Koncepcja ta była dalej propagowana w nadchodzących latach również przez innych naukowców.
DNA do długoterminowego przechowywania danych
Badania wykazały, że wysoka pojemność i stabilność chemiczna DNA czyni go idealnym kandydatem do długoterminowego przechowywania informacji. Aby zademonstrować funkcję DNA jako długoterminowego urządzenia do przechowywania danych, dr George Church i jego kolega zakodowali książkę zawierającą 53 426 słów i obrazów i przechowywali je w DNA. Podobnie naukowcom udało się również przekonwertować cyfrowe pliki html z bitów na zasady metodą podstawienia. Ponadto formaty plików PDF, JPEG i MP3 są również przechowywane w DNA, co wymaga około 757 KB przestrzeni dyskowej. Naukowcy przekształcają kody cyfrowe w zasady i przechowują je w DNA. Odkryli, że informacje były stabilne w różnych warunkach obsługi.
Naukowcy porównali kilka platform do przechowywania DNA z szyframi i zauważyli, że DNA zamknięte w kuli krzemionkowej zapewnia korzystne warunki przechowywania. Dzieje się tak, ponieważ krzemionka zapewnia fizyczną barierę między wodą a DNA i pomaga w długoterminowej stabilności.
perspektywy na przyszłość
Naukowcy ujawnili, że w przyszłości koncepcja kodowania kreskowego DNA może być skutecznie wykorzystywana do śledzenia produktów spożywczych i rolnych w celu walidacji. Ponadto kilka badań wykazało, że DNA może spełnić przyszłe wymagania dotyczące przechowywania danych. W związku z tym potrzebne są dalsze badania, aby była to opłacalna i łatwa w użyciu metoda. Istnieją szerokie możliwości wprowadzania innowacji w zakresie technik i metod syntezy chemicznej oraz zwiększania bezpieczeństwa danych poprzez rozwój metodologii szyfrowania i steganografii specyficznej dla DNA.
Czytaj dalej: Nanocząstki polimerowe i przyszłość metod dostarczania genów
Referencje i dodatkowe lektury
Yang, Qiu i in. (2022). Ostatnie postępy w samoorganizujących się nanostrukturach DNA do bioobrazowania. aStosowane Biomateriały CS. https://doi.org/10.1021/acsabm.2c00128
Lacroix, A i Solomon, FH (2021) Nanostruktury DNA: obecne wyzwania i możliwości dostarczania komórkowego. aCS nano15 (3), s. 3631–3645. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c06136
Keeler, A.; i Lenko, F.; (2020) Wyzwania i perspektywy nanostruktur DNA w biomedycynie. Angewandte International Edition Chemie59 (37). https://doi.org/10.1002/anie.201916390
Nummlin, S i in. (2018) Ewolucja nanotechnologii strukturalnej DNA. zaawansowane materiały. 30 (24). https://doi.org/10.1002/adma.201703721
Zakeri, B. i Lu, KT (2015) Nanotechnologia DNA: nowe przygody weterana wojennego. Aktualna opinia w biologii chemicznej28, s. 9-14. https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2015.05.020
„Całkowity miłośnik kawy. Miłośnik podróży. Muzyczny ninja. Bekonowy kujon. Beeraholik.”
More Stories
Z badań wynika, że skład diety wpływa na zdrowie i zachowanie potomstwa
Astronauci NASA Artemis 3 umieści na powierzchni Księżyca detektor trzęsień ziemi
Projekt Uniwersytetu w Durham może ulepszyć metody leczenia depresji i lęku