Команда, возглавляемая исследователями из вычислительной школы Университета Ньюкасла, создала новые динамические структуры данных ДНК, способные хранить и вызывать информацию упорядоченным образом из молекул ДНК. Они также проанализировали, как эти структуры могут взаимодействовать с внешними вычислительными схемами нуклеиновых кислот.
Публикуя свои результаты в журнале Nature Communications, ученые представляют in vitro реализацию стековой структуры данных с использованием ДНК-полимеров.
Разработанная как система химической реакции ДНК, стековая система способна записывать комбинации двух разных сигналов ДНК (0 и 1), переводить сигналы в раствор в обратном порядке, а затем повторно записывать.
Стек, который представляет собой линейную структуру данных, которая следует определенному порядку, в котором выполняются операции, хранит и извлекает информацию (сигнальные цепи ДНК) в порядке «последний пришел – первый ушел» путем создания и усечения ДНК «полимеров» одной оцДНК. пряди.
Такая структура данных стека может в конечном итоге быть встроена в контекст in vivo для хранения РНК-мессенджера и изменения временного порядка трансляционного ответа среди других приложений.
Профессор Наталио Красногор из вычислительной школы Университета Ньюкасла, который руководил исследованием, объясняет: «Наша цивилизация жаждет данных, и вся эта жажда обработки информации оказывает сильное воздействие на окружающую среду.
Например, цифровые технологии загрязняют больше, чем авиационная промышленность, 7000 крупнейших центров обработки данных в мире используют около 2% мировой электроэнергии, и все мы слышали об экологическом воздействии некоторых криптовалют.
«В последние годы было показано, что ДНК является отличным субстратом для хранения данных, а ДНК – возобновляемым и устойчивым ресурсом. В Ньюкасле мы с энтузиазмом относимся к устойчивому развитию, и поэтому мы хотели начать делать маленькие шаги к экологически чистой молекулярной обработке информации в ДНК и выйти за рамки простого хранения данных.
Мы хотели иметь возможность это организовать. В информатике структуры данных лежат в основе всех алгоритмов, управляющих нашей современной экономикой; это потому, что вам нужен унифицированный и стандартизированный способ работы с данными, которые хранятся. Это то, что позволяют структуры данных. Мы первыми продемонстрировали молекулярную реализацию этого важнейшего компонента современной информационной эпохи."
Соавтор исследования, доктор Аннунциата Лопикколо, научный сотрудник Центра синтетической биологии и биоэкономики Университета Ньюкасла, добавила: «Если мы начнем думать о хранении данных, мы сразу же представим себе электронные микрочипы, USB-накопители и многие другие существующие технологии. Но за последние несколько лет биологи бросили вызов сектору носителей данных, продемонстрировав, что природа ДНК, как высокостабильный и устойчивый носитель, может функционировать как хранилище четвертичных данных, а не двоичное.
В нашей работе мы хотели продемонстрировать, что можно использовать четвертичный код для создания читаемых входов и выходов в форме программируемых сигналов с линейной и организованной структурой данных. Наша работа расширяет знания в контексте обработки информации на наноразмерном уровне."
Соавтор исследования доктор Гарольд Феллерманн, преподаватель вычислительной школы Университета Ньюкасла, добавил: «Наша структура биомолекулярных данных, в которой как данные, так и операции представлены короткими фрагментами ДНК, была разработана с учетом биологических реализаций. В принципе, мы можем представить такое устройство для использования внутри живой клетки, например, бактерий.
Это позволяет передать вычислительную мощность в области, которые в настоящее время труднодоступны с помощью традиционных электронных вычислений на основе кремния. В будущем такие структуры данных могут быть использованы в мониторинге окружающей среды, биоремедиации, экологическом производстве и даже в персонализированной наномедицине."
Соавтор исследования, доктор Бенджамин Рубт-Эдисс, научный сотрудник Школы вычислительной техники Ньюкаслского университета, сказал: «Было действительно интересно разработать вычислительную модель химии ДНК и увидеть хорошее согласие с экспериментальными результатами, полученными в лаборатории. Вычислительная модель позволила нам действительно контролировать производительность структуры данных стека ДНК – мы могли систематически исследовать ее абсолютные пределы и предлагать будущие пути улучшения."
Экспериментальная система стека ДНК представляет собой доказательство принципа того, что химический процесс полимеризации ДНК может использоваться в качестве динамической структуры данных для хранения двух типов сигналов ДНК в порядке «последним пришел – первым обслужен». Хотя необходимы дополнительные исследования для определения наилучшего способа архивирования и доступа к данным на основе ДНК, исследование подчеркивает огромный потенциал этой технологии и то, как она может помочь удовлетворить быстро растущие потребности в данных.