#24 - 06/2022

Το σώμα ως datacenter: αποθήκευση και επεξεργασία δεδομένων στο DNA

Σύμφωνα με τους ειδικούς έχουμε ένα σοβαρό πρόβλημα, που θα πρέπει να αντιμετωπιστεί σύντομα: ο όγκος των δεδομένων (data) αυξάνεται συνεχώς, σε σημείο που οι υποδομές για την μαζική επεξεργασία και αποθήκευσή τους δεν επαρκούν. Μιλάνε για megabytes με πολλά μηδενικά, τα οποία πολλαπλασιάζονται. Έτσι, οι επεξεργαστές με το παραδοσιακό ηλεκτρονικό κύκλωμα από πυρίτιο, έχουν φτάσει στα όριά τους όσον αφορά την σμίκρυνση, η οποία προσφέρει αναλογικά μεγαλύτερη επεξεργαστική ισχύ. Οι σκληροί δίσκοι, οι μαγνητικές ταινίες και τα CD/DVD αγγίζουν επίσης τα όριά τους σε πυκνότητα αποθήκευσης, ενώ φθείρονται μεσο-μακροπρόθεσμα. Και τα κέντρα δεδομένων (datacenter) ως «φάρμες» μαζικής αποθήκευσης και επεξεργασίας καταναλώνουν πολλή ενέργεια.

Ανάμεσα στις διάφορες λύσεις – πχ. οι κβαντικοί υπολογιστές, η αποθήκευση σε γυαλί, διαμάντια ή άλλα χημικά στοιχεία – αυτή που φαίνεται να ξεχωρίζει είναι η χρήση του γενετικού υλικού που, σύμφωνα με τους ειδικούς, αποτελεί τον «κώδικα της ζωής»: το DNA. Και, αφού αποτελεί «κώδικα», γιατί να μην το βάλουμε να κάνει την δουλειά που του αντιστοιχεί; Δηλαδή να αποθηκεύει και να επεξεργάζεται data. Τα πλεονεκτήματα είναι «ασύγκριτα»: κάνει παράλληλη επεξεργασία πιο γρήγορα και από τον καλύτερο υπερ-υπολογιστή, αποθηκεύει με τέτοια πυκνότητα που τα δεδομένα των datacenter χωράνε σε μερικά ml DNA και καταναλώνει ελάχιστη έως μηδενική ενέργεια.

Οι εφαρμογές για τις οποίες προορίζονται αυτές οι νέες τεχνικές, αν και μοιάζουν αντίστοιχες με τις εφαρμογές των παραδοσιακών υπολογιστών, έχουν μεγαλύτερο εύρος και συχνά διαφορετικό πεδίο. Για παράδειγμα, η χρήση του DNA ως επεξεργαστή κλασσικών προβλημάτων των υπολογιστών είναι περιορισμένη σε ορισμένα δυσεπίλυτα προβλήματα που χρειάζονται παράλληλους υπολογισμούς. Περισσότερο επικεντρώνεται στην επεξεργασία και τους υπολογισμούς μέσα σε βιολογικά συστήματα, εκεί που δεν μπορεί να φτάσει το ηλεκτρονικό κύκλωμα – ή και αν φτάσει, δεν θα κάνει τόσο καλή δουλειά. Αντίστοιχα, η χρήση του DNA ως αποθηκευτικού χώρου δεδομένων, ενώ παίρνει τον δρόμο – και εμπορικά πλέον – της αξιοποίησης συνθετικού DNA που παράγεται σε εργαστήρια και αποθηκεύεται σε μπουκαλάκια, προορίζεται και δοκιμάζεται παράλληλα και για την αξιοποίηση του γενετικού υλικού σε ζωντανούς οργανισμούς.

Αν και μέχρι στιγμής οι εφαρμογές των DNA υπολογιστών σε ζωντανούς οργανισμούς είναι ακόμα στο επίπεδο των εργαστηριακών δοκιμών, δεν μπορούμε να είμαστε σίγουροι για το πόσο γρήγορα μπορούν να εξελιχθούν. Όμως, από την μια η ταχύτητα της «τεχνολογικής πρόοδου» και από την άλλη το πρόσφατο παράδειγμα της μαζικής επιβολής πειραματικών τεχνολογιών γενετικής μηχανικής με την πρόφαση της έκτακτης ανάγκης, μας έχει κάνει ακόμα περισσότερο καχύποπτους για τις δυνατότητες και τις προθέσεις των αφεντικών. Οι ειδικοί μιλάνε για ένα βάθος 10 ή 20 χρόνων, για να μπουν σε πρακτική εφαρμογή. Και αν ακούγονται πολλά – ή και υπερβολικά - ίσως βοηθάει να θυμηθούμε την κατάσταση πριν 20 χρόνια, τότε που το Ίντερνετ ήταν ελάχιστες στατικές ιστοσελίδες με χοντροκομμένα γραφικά και όχι Μετασύμπαν· τότε που η γενετική μηχανική ως ιατρική ήταν «μακρινό όνειρο» των βιοτεχνολόγων και όχι σωτήρια «εμβόλια».
Στην περίπτωση του συνθετικού DNA ως «σκληρού δίσκου», η κατάσταση είναι αρκετά διαφορετική, καθώς έχει μπει ήδη σε εμπορική εφαρμογή και αναμένεται να «εκτοξευτεί» στο πολύ άμεσο μέλλον. Σύμφωνα με τις προβλέψεις της αγοράς [1DNA Digital Data Storage Market Forecast to 2028] «η αγορά της DNA αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων αναμένεται να αυξηθεί από τα 57,81 εκ. δολάρια το 2021 σε 1.761,49 εκ. δολάρια μέχρι το 2028. Εκτιμάται ότι θα αυξηθεί με ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 61,29% κατά την περίοδο 2021-2028. Τα προϊόντα DNA αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων μπορούν να αλλάξουν τη βιολογική έρευνα και να επηρεάσουν σημαντικά την ανθρώπινη υγεία, την ασφάλεια των τροφίμων και την περιβαλλοντική βιωσιμότητα, καθώς είναι ακριβή, σχετικά φθηνά, εύχρηστα και εξαιρετικά ισχυρά».

Οι «παίχτες» που έχουν μπει (και) σε αυτό το «παιχνίδι» είναι από εταιρίες start-up, εταιρίες με πιο βαρύ βιογραφικό, κρατικούς και διεθνής οργανισμούς υγείας και στρατιωτικούς «βραχίωνες». Η κλασική συνταγή δηλαδή, που είναι απαραίτητη για κάθε επιστημονική πρόοδο....Το link της παραπάνω έρευνας έχει μια λίστα των εταιρειών αυτών και θα σας προτείναμε να δείτε και τα αντίστοιχα site τους, για να πάρετε μια γεύση των εξελίξεων.
Επίσης, ως «πρωτογενείς και δευτερογενείς πηγές» της συγκεκριμένης έρευνας αναφέρονται: ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (WHO), το Κέντρο Ελέγχου και Πρόληψης Νοσημάτων (CDC), η Εθνική Υπηρεσία Ψηφιακής Υγείας (ANHD) και η Εθνική Στρατηγική Υγείας (NHS). Άρα μην ανησυχείτε· για το καλό της υγείας μας θα είναι...

Δεν θα επεκταθούμε στους προβληματισμούς που προκύπτουν από όλα αυτά τώρα. Για την ώρα θα παρουσιάσουμε τις γνώμες των ειδικών αντιγράφοντας από άρθρα και δημοσιεύσεις καθεστωτικών και «έγκυρων» μέσων, φτιάχνοντας μια συλλογή κειμένων που ιχνηλατεί ενδεικτικά την πορεία αυτού του πεδίου της γενετικής μηχανικής, τις τελευταίες δύο δεκαετίες.

Μια πρόσφατη έρευνα (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31819259/) παρουσίασε την εφαρμογή της DNA αποθήκευσης σε ένα 3D-εκτυπωμένο κουνέλι (πλαστικό κουνέλι – μην γίνει καμιά παρεξήγηση). Το ενσωματωμένο συνθετικό DNA περιείχε τις πληροφορίες για την 3D εκτύπωση αυτού του κουνελιού, οπότε αν έκοβε κανείς κάποιο κομματάκι (από το κουνέλι) και το ανέλυε σε DNA αναλυτή, θα μπορούσε να 3D-εκτυπώσει ακριβώς το ίδιο κουνέλι. Η αποθήκευση πληροφοριών σε συνθετικό (ή και όχι) DNA, ενσωματωμένο σε αντικείμενα, φυτά και λοιπά υλικά, αναφέρεται συνοπτικά ως DNA of Things (DoT), το οποίο «θα μπορούσε να εφαρμοστεί για την αποθήκευση ηλεκτρονικών αρχείων υγείας σε ιατρικά εμφυτεύματα, για την απόκρυψη δεδομένων σε καθημερινά αντικείμενα και για την κατασκευή αντικειμένων που περιέχουν το δικό τους αποτύπωμα».

DNA Computing

Ο Leonard Adleman ζητά συγγνώμη. Σε μια ανακοίνωση που δημοσιεύει για να αποκρούσει τους δημοσιογράφους που ζητούν συνεντεύξεις, ο επιστήμονας υπολογιστών του πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνια και παγκοσμίου φήμης κρυπτογράφος που εφηύρε τον τομέα των DNA υπολογιστών ομολογεί ότι «οι DNA υπολογιστές είναι απίθανο να γίνουν αυτόνομοι ανταγωνιστές των ηλεκτρονικών υπολογιστών». Συνεχίζει, κάπως απολογητικά: «Απλώς δεν μπορούμε, αυτή τη στιγμή, να ελέγξουμε τα μόρια με την επιδεξιότητα που ελέγχουν τα ηλεκτρόνια οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί και οι φυσικοί».

Ήταν το 1994 που ο Adleman χρησιμοποίησε για πρώτη φορά το DNA, το μόριο από το οποίο αποτελούνται τα γονίδιά μας, για να λύσει μια απλή εκδοχή του προβλήματος του «ταξιδιώτη πωλητή». Σε αυτό το κλασικό αίνιγμα, ο στόχος είναι να βρεθεί η πιο αποτελεσματική διαδρομή μέσα από πολλές πόλεις και δεδομένου ότι υπάρχουν αρκετές πόλεις, το αίνιγμα μπορεί να ζορίσει ακόμη και έναν υπερυπολογιστή. Ο Adleman έδειξε ότι τα δισεκατομμύρια μόρια σε μια σταγόνα DNA περιείχαν ακατέργαστη υπολογιστική ισχύ που θα μπορούσε - ίσως θα μπορούσε - να ξεπεράσει αυτή του πυρίτιου. Αλλά από τότε, οι επιστήμονες έχουν αντιμετωπίσει σκληρά πρακτικά και θεωρητικά εμπόδια. Όπως έχουν συνειδητοποιήσει ο Adleman και άλλοι στον τομέα, μπορεί να μην υπάρξει ποτέ υπολογιστής κατασκευασμένος από DNA που να ανταγωνίζεται άμεσα τη σημερινή μικροηλεκτρονική που βασίζεται σε πυρίτιο.

Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι τα παράτησαν. Αντιθέτως. Αν και οι επιστήμονες υπολογιστών δεν έχουν βρει μια σαφή διαδρομή από τον δοκιμαστικό σωλήνα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή, αυτό που βρήκαν τους εκπλήσσει και τους εμπνέει. Ψηφιακή μνήμη σε μορφή DNA και πρωτεϊνών. Εξαιρετικά αποτελεσματικές μηχανές επεξεργασίας που περιηγούνται μέσα στο κύτταρο, κόβοντας και επικολλώντας μοριακά δεδομένα στο υλικό της ζωής. Επιπλέον, η φύση συσκευάζει όλο αυτόν τον μοριακό εξοπλισμό σε ένα βακτήριο όχι πολύ μεγαλύτερο από ένα τρανζίστορ. Με τα μάτια των επιστημόνων υπολογιστών, η εξέλιξη έχει δημιουργήσει τους μικρότερους, πιο αποτελεσματικούς υπολογιστές στον κόσμο.

Όπως το βλέπει τώρα ο Adleman, η DNA υπολογιστική είναι ένας τομέας που αφορά λιγότερο το να νικήσει το πυρίτιο και περισσότερο τους εκπληκτικούς νέους συνδυασμούς βιολογίας και επιστήμης υπολογιστών που πιέζουν τα όρια και στα δύο πεδία - μερικές φορές σε απροσδόκητες κατευθύνσεις. Οι επιστήμονες εξακολουθούν να εργάζονται σκληρά για νέους τρόπους να εκμεταλλευτούν τις εκπληκτικές ικανότητες του DNA να επεξεργάζεται αριθμούς για εξειδικευμένους τύπους εφαρμογών, όπως η κρυπτογράφηση. Αλλά πέρα από αυτό, η έμφυτη νοημοσύνη που είναι ενσωματωμένη στα μόρια του DNA θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατασκευή μικροσκοπικών, πολύπλοκων δομών· στην ουσία χρησιμοποιώντας τη λογική του υπολογιστή όχι για να υπολογίσει αριθμούς αλλά για να χτίσει πράγματα.

DNA Computing - DNA-based PCs? Doubtful. But DNA might do some computing-while assembling nanostructures.1/5/2000
https://www.technologyreview.com/2000/05/01/236306/dna-computing/

Μια ματιά στο μέλλον του DNA: Ο γιατρός μέσα στο σώμα

Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει αυτό που λένε ότι θα μπορούσε να γίνει το μικρότερο ιατρικό κιτ στον κόσμο: έναν υπολογιστή, κατασκευασμένο από DNA, που μπορεί να διαγνώσει ασθένεια και να χορηγεί αυτόματα φάρμακα για τη θεραπεία της.

Ο υπολογιστής, τόσο μικρός που ένα τρισεκατομμύριο από τέτοιους θα χωρούσαν σε μια σταγόνα νερού, τώρα λειτουργεί μόνο σε δοκιμαστικό σωλήνα και μπορεί να περάσουν δεκαετίες μέχρι να είναι έτοιμος για πρακτική χρήση. Αλλά προσφέρει μια ενδιαφέρουσα ματιά στο μέλλον στο οποίο οι μοριακές μηχανές λειτουργούν μέσα στους ανθρώπους, εντοπίζοντας ασθένειες και αντιμετωπίζοντάς τες πριν καν εμφανιστούν εμφανή συμπτώματα.

«Τελικά, έχουμε αυτό το όραμα ενός γιατρού μέσα στα κύτταρα», είπε ο δρ. Ehud Shapiro του Ινστιτούτου Επιστημών Weizmann, στο Rehovot του Ισραήλ, ο οποίος ηγήθηκε της εργασίας που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο χθες από το περιοδικό Nature.

Ο ρόλος του DNA είναι να αποθηκεύει και να επεξεργάζεται πληροφορίες, τον γενετικό κώδικα. Επομένως, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για άλλες υπολογιστικές εργασίες, και οι επιστήμονες το έχουν χρησιμοποιήσει στην πραγματικότητα για να λύσουν διάφορα μαθηματικά προβλήματα. Αλλά οι ισραηλινοί επιστήμονες είπαν ότι ο δικός τους ήταν ο πρώτος DNA υπολογιστής που θα μπορούσε να έχει ιατρική χρήση.

Ο υπολογιστής, ένα υγρό διάλυμα DNA και ενζύμων, προγραμματίστηκε να ανιχνεύει το είδος του RNA που θα υπήρχε εάν συγκεκριμένα γονίδια που σχετίζονται με μια ασθένεια ήταν ενεργά.

Σε ένα παράδειγμα, ο υπολογιστής προσδιόρισε ότι δύο συγκεκριμένα γονίδια ήταν ενεργά και άλλα δύο ανενεργά, και ως εκ τούτου έκανε τη διάγνωση του καρκίνου του προστάτη. Ένα κομμάτι DNA, σχεδιασμένο να λειτουργεί ως φάρμακο παρεμβαίνοντας στη δράση ενός διαφορετικού γονιδίου, απελευθερώθηκε στη συνέχεια αυτόματα από το άκρο του DNA υπολογιστή.
Οι ειδικοί χαρακτήρισαν το έργο ευφυές αλλά τόνισαν ότι είχε γίνει σε δοκιμαστικό σωλήνα, στον οποίο προστέθηκε το RNA που αντιστοιχεί στα γονίδια της νόσου. Δεν είναι ξεκάθαρο, είπαν, αν ένας τέτοιος υπολογιστής θα μπορούσε να λειτουργήσει μέσα στα κύτταρα, όπου θα υπήρχαν πολλά κομμάτια DNA, RNA και χημικών ουσιών που θα μπορούσαν να παρέμβουν.

«Νομίζω ότι είναι πολύ κομψό - είναι σχεδόν σαν μια όμορφη μαθηματική απόδειξη», είπε ο δρ Τζορτζ Τσερτς, καθηγητής γενετικής στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ, «αλλά δεν λειτουργεί ακόμα στα ανθρώπινα κύτταρα».

Ο DNA υπολογιστής του ινστιτούτου Weizmann κωδικοποιεί τόσο το λογισμικό όσο και τα δεδομένα με τα τέσσερα γράμματα του γενετικού κώδικα, A, C, G και T. Το hardware, το τμήμα του υπολογιστή που δεν αλλάζει, είναι ένα ένζυμο που κόβει την έλικα DNA με συγκεκριμένο τρόπο.

Ο υπολογιστής είναι κατασκευασμένος από DNA διπλής έλικας, με άκρα που είναι μονής έλικας. Αυτά τα λεγόμενα κολλώδη άκρα μπορούν να συνδεθούν σε συγκεκριμένες άλλες έλικες DNA ή RNA στο διάλυμα, σύμφωνα με τους συνήθεις κανόνες του ζευγαρώματος DNA. Εάν συμβεί δέσμευση, το ένζυμο κόβει το DNA σε μια ορισμένη απόσταση, εκθέτοντας νέα κολλώδη άκρα. Εάν αυτά τα άκρα βρουν κάτι για να συνδεθούν, το ένζυμο κόβει σε άλλη θέση, και ούτω καθεξής. Εάν η αλυσιδωτή αντίδραση προχωρήσει με συγκεκριμένο τρόπο, το ένζυμο τελικά αποκόπτει το κομμάτι του DNA που λειτουργεί ως φάρμακο.

Αφού φτιαχτεί το DNA που κωδικοποιεί το πρόβλημα και μπει στον δοκιμαστικό σωλήνα, ο υπολογιστής λειτουργεί αυτόματα και φτάνει στην απάντηση μέσα σε λίγα λεπτά.

«Βασικά», λέει ο δρ Shapiro, «απλώς ρίχνουμε τα πάντα στο διάλυμα και βλέπουμε τι θα συμβεί».

A Glimpse at the Future of DNA: M.D.'s Inside the Body. 29/4/2004
https://www.nytimes.com/2004/04/29/us/a-glimpse-at-the-future-of-dna-md-s-inside-the-body.html

Οι DNA υπολογιστές βάζουν τα βακτήρια για δουλειά

Δεν είναι μια κανονική, ηλεκτρονική μηχανή με βάση το πυρίτιο, αλλά οι επιστήμονες έφτιαξαν έναν υπολογιστή από ένα μικρό κομμάτι DNA, στη συνέχεια τον εισήγαγαν σε ένα ζωντανό βακτηριακό κύτταρο και απελευθέρωσαν το μικρόβιο για να λύσουν ένα πρόβλημα μαθηματικής ταξινόμησης.

«Υπολογιστής είναι κάθε σύστημα που μπορεί να διαβάσει κάποια είσοδο και να δώσει κάποια αναγνώσιμη έξοδο», λέει η Karmella Haynes, βιολόγος στο Davidson College στη Βόρεια Καρολίνα και συν-συγγραφέας μιας νέας μελέτης που δημοσιεύεται στο Journal of Biological Engineering. Η Haynes και η ομάδα της προσπάθησαν να εκμεταλλευτούν την δύναμη του ανασυνδυασμού DNA για να λύσουν το λεγόμενο «πρόβλημα της καμένης τηγανίτας»: ένα παζλ σχετικά με το πώς μπορούν να στοιβαχθούν τηγανίτες διαφορετικού μεγέθους που είναι καμμένες από τη μία πλευρά και τέλεια τηγανισμένες στην άλλη, χρησιμοποιώντας τον λιγότερο αριθμό από περιστροφές, για να τοποθετηθούν έτσι ώστε οι μεγαλύτερες να βρίσκονται στο κάτω μέρος και όλες να έχουν την καλή πλευρά προς τα πάνω.

«Αυτή η εργασία είναι η πρώτη εργασία που έχω συναντήσει και η οποία χρησιμοποιεί ζωντανά κύτταρα για να λύσει ένα συγκεκριμένο πρόβλημα επιστήμης των υπολογιστών», λέει ο Tom Ran, μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του επιστήμονα υπολογιστών Ehud Shapiro στο Ινστιτούτο Weizmann στο Rehovot του Ισραήλ.

Δείχνοντας ότι το DNA που λειτουργεί ως υπολογιστής θα μπορούσε να λύσει «το πρόβλημα της καμένης τηγανίτας», η Haynes και η ομάδα της απέδειξαν ότι εάν το σύστημά τους μπορούσε να κλιμακωθεί, θα μπορούσε να βρει απαντήσεις σε περίπλοκα προβλήματα όπως οι πιο αποτελεσματικές αεροπορικές διαδρομές μεταξύ Σικάγο και Σιγκαπούρης ή τον βέλτιστο τρόπος δρομολόγησης των τηλεφωνικών κλήσεων στις ΗΠΑ - αινίγματα με τα οποία εταιρείες όπως η FedEx και η AT&T αντιμετωπίζουν εδώ και χρόνια - σε ένα κλάσμα του χρόνου που χρειάζονται οι συμβατικοί υπολογιστές. Οι ερευνητές έχουν οραματιστεί τη χρήση DNA υπολογιστών για πολλές άλλες εφαρμογές, όπως έναν τρόπο ανίχνευσης αλλαγών σε ζωντανά συστήματα - όπως ο καρκίνος μέσα στο σώμα ή η εξάπλωση των ρύπων σε μια λίμνη.

«Οι DNA υπολογιστές μπορεί να είναι σε θέση να επιτύχουν πράγματα που οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές δεν μπορούν», λέει ο Len Adleman, μοριακός επιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια. «Για παράδειγμα, είναι πολύ δύσκολο να σκεφτούμε πώς θα μπορούσε να μπει ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής με βάση το πυρίτιο σε ένα βακτηριακό κύτταρο».

DNA Computer Puts Microbes to Work as Number Crunchers. 30/05/2008
https://www.scientificamerican.com/article/dna-computer-puts-microbe/

DNA: Ο απόλυτος σκληρός δίσκος

Όσον αφορά την αποθήκευση πληροφοριών, οι σκληροί δίσκοι δεν πλησιάζουν καν το DNA. Ο γενετικός μας κώδικας συσκευάζει δισεκατομμύρια gigabyte σε ένα μόνο γραμμάριο. Ένα απλό χιλιοστόγραμμο του μορίου θα μπορούσε να κωδικοποιήσει το πλήρες κείμενο κάθε βιβλίου στη βιβλιοθήκη του Κογκρέσου και να έχει άφθονο χώρο ακόμα. Όλα αυτά ήταν ως επί το πλείστον θεωρητικά - μέχρι τώρα. Σε μια νέα μελέτη, οι ερευνητές αποθήκευσαν ένα ολόκληρο εγχειρίδιο γενετικής σε λιγότερο από ένα πικογραμμάριο DNA - ένα τρισεκατομμυριοστό του γραμμαρίου - μια πρόοδος που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην ικανότητά μας να αποθηκεύουμε δεδομένα.
Μερικές ομάδες προσπάθησαν να γράψουν δεδομένα στα γονιδιώματα των ζωντανών κυττάρων. Αλλά η προσέγγιση έχει μερικά μειονεκτήματα. Πρώτον, τα κύτταρα πεθαίνουν – καθόλου καλός τρόπος για να χάσετε τις εργασίες σας. Επίσης, αναπαράγονται, εισάγοντας νέες μεταλλάξεις με την πάροδο του χρόνου που μπορούν να αλλοιώσουν τα δεδομένα.

Για να ξεπεράσει αυτά τα προβλήματα, μια ομάδα με επικεφαλής τον George Church, έναν συνθετικό βιολόγο στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ στη Βοστώνη, δημιούργησε ένα σύστημα αρχειοθέτησης πληροφοριών DNA που δεν χρησιμοποιεί καθόλου κύτταρα. Αντίθετα, ένας εκτυπωτής inkjet ενσωματώνει μικρά θραύσματα χημικά συντιθέμενου DNA στην επιφάνεια ενός μικροσκοπικού γυάλινου τσιπ. Για να κωδικοποιήσουν ένα ψηφιακό αρχείο, οι ερευνητές το χωρίζουν σε μικροσκοπικά μπλοκ δεδομένων και μετατρέπουν αυτά τα δεδομένα, όχι στα 1 και 0 των τυπικών ψηφιακών μέσων αποθήκευσης, αλλά στην αλφάβητο των τεσσάρων γραμμάτων του DNA των A, C, G και T. Κάθε κομμάτι DNA περιέχει επίσης έναν ψηφιακό barcode που καταγράφει τη θέση του στο αρχικό αρχείο. Η ανάγνωση των δεδομένων απαιτεί έναν προσδιοριστή αλληλουχίας DNA και έναν υπολογιστή για να επανασυναρμολογήσει όλα τα κομμάτια με τη σειρά και να τα μετατρέψει ξανά σε ψηφιακή μορφή. Ο υπολογιστής διορθώνει επίσης τα σφάλματα. Κάθε μπλοκ δεδομένων αναπαράγεται χιλιάδες φορές, έτσι ώστε να μπορεί να εντοπιστεί και να διορθωθεί, συγκρίνοντάς το με τα άλλα αντίγραφα.

Για να δείξει το σύστημά της σε δράση, η ομάδα χρησιμοποίησε τα τσιπ DNA για να κωδικοποιήσει ένα βιβλίο γενετικής που συνέταξε ο Church. Δούλεψε. Μετά τη μετατροπή του βιβλίου σε DNA και τη μετάφρασή του σε ψηφιακή μορφή, το σύστημα της ομάδας είχε ένα πρωτοφανές ποσοστό σφάλματος μόνο δύο σφαλμάτων ανά εκατομμύριο bit, που ισοδυναμούσε με μερικά τυπογραφικά λάθη ενός γράμματος. Αυτό είναι στο ίδιο επίπεδο με τα DVD και πολύ καλύτερο από τους μαγνητικούς σκληρούς δίσκους. Και λόγω του μικροσκοπικού τους μεγέθους, τα τσιπ DNA είναι πλέον το μέσο αποθήκευσης με την υψηλότερη γνωστή πυκνότητα πληροφοριών, αναφέρουν οι ερευνητές στο διαδίκτυο σήμερα στο Science.

Ωστόσο, μην αντικαταστήσετε ακόμα τον σκληρό δίσκο σας με γενετικό υλικό. Το κόστος του αναλυτή αλληλουχίας DNA και άλλων οργάνων «το καθιστά επί του παρόντος μη πρακτικό για γενική χρήση...», λέει ο Daniel Gibson, συνθετικός βιολόγος στο Ινστιτούτο J. Craig Venter στο Rockville, Maryland, «...αλλά το πεδίο κινείται γρήγορα και η τεχνολογία θα είναι σύντομα φθηνότερη, ταχύτερη και μικρότερη».

DNA: The Ultimate Hard Drive - Researchers have stored an entire genetics textbook in less than a picogram of DNA, or one trillionth of a gram. 17/8/2012
https://www.wired.com/2012/08/dna-data-storage/

Τι μπορούν να κάνουν οι υπολογιστές DNA;

Για περισσότερα από 20 χρόνια, οι ερευνητές έχουν εξερευνήσει πώς το DNA θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως υλικό για υπολογιστές. Ακούγεται πολλά υποσχόμενο λόγω της απίστευτης πυκνότητας των δεδομένων στο DNA: αποθηκεύει όλες τις πληροφορίες και τις οδηγίες που απαιτούνται για την κατασκευή και την λειτουργία ενός ανθρώπινου σώματος. Μερικοί ερευνητές κατάφεραν να κωδικοποιήσουν μεγάλα κείμενα στο DNA. άλλοι έχουν χρησιμοποιήσει το μόριο για να δημιουργήσουν απλές λογικές πύλες και κυκλώματα, τα βασικά δομικά στοιχεία των υπολογιστών. Αλλά η χρήση του DNA με αυτόν τον τρόπο είναι αδικαιολόγητα αργή για τα είδη των εργασιών που περιμένουμε να κάνουν οι υπολογιστές. Πιθανότατα, ο υπολογισμός του DNA θα αξιοποιηθεί για να λειτουργεί μέσα στα ζωντανά κύτταρα και να συνδυαστεί με τον υπάρχοντα μηχανισμό τους, καθιστώντας δυνατές νέες μεθόδους ανίχνευσης και θεραπείας ασθενειών.

Οι παραδοσιακοί υπολογιστές χρησιμοποιούν μια σειρά από λογικές πύλες που μετατρέπουν διαφορετικές εισόδους σε προβλέψιμη έξοδο. Για παράδειγμα, ένα τρανζίστορ ενεργοποιείται ή απενεργοποιείται από την είσοδο υψηλής ή χαμηλής τάσης. Με το DNA, ο τρόπος με τον οποίο τα μόρια μπορούν να ενεργοποιηθούν για να συνδεθούν μεταξύ τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός κυκλώματος λογικών πυλών σε δοκιμαστικούς σωλήνες. Σε μια μέθοδο, που ονομάζεται μετατόπιση έλικας DNA, η είσοδος του DNA που συνδέεται με μια λογική πύλη DNA μετατοπίζει μια έλικα DNA που χρησιμεύει ως έξοδος. Πολλές πύλες μπορούν να συνδυαστούν σε ένα κύκλωμα: κάθε DNA εξόδου θα δεσμευτεί στην επόμενη λογική πύλη έως ότου ελευθερωθεί κάποια προβλέψιμη τερματική έλικα εξόδου. (Οι επιστήμονες μπορούν να κάνουν την τερματική έλικα να φωσφορίζει ώστε να μπορεί να διαβαστεί εύκολα.)
Σε μια άλλη μέθοδο, το DNA εισόδου μπορεί να συνδεθεί σε μια λογική πύλη DNA και να ενεργοποιήσει ένζυμα που προκύπτουν στη φύση, όπως πολυμεράσες και νουκλεάσες για να κόψουν τις έλικες DNA. Αυτά μπορούν στη συνέχεια να συνδεθούν με άλλες έλικες σε μια συνεχή σειρά αντιδράσεων ή να εμφανίσουν φθορίζον σήμα εξόδου.

Ερευνητές στο Ισραήλ έδειξαν πέρυσι ότι οι λογικές πύλες του DNA μπορούν επίσης να λειτουργήσουν μέσα σε ζωντανούς οργανισμούς - συγκεκριμένα στις κατσαρίδες. Οι ερευνητές δημιούργησαν DNA διπλωμένο σαν origami για να φτιάξουν αυτό που αποκαλούσαν ρομπότ νανοκλίμακας. Τα νανορομπότ λειτουργούν ως η έλικα εισόδου στην υπολογιστική ακολουθία: συνδέονται με λογικές πύλες DNA, μια διαδικασία που αλλάζει το σχήμα των ρομπότ έτσι ώστε να εκθέσουν το ωφέλιμο φορτίο τους. Το ωφέλιμο φορτίο μπορεί να είναι ένα μόριο όπως μια σύντομη αλληλουχία DNA, ένα αντίσωμα ή ένα ένζυμο. Εάν το ωφέλιμο φορτίο μπορεί να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει ένα δεύτερο ρομπότ, αυτό θα δημιουργήσει ένα κύκλωμα μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο.

Άλλοι ερευνητές έχουν επίσης δείξει, σε πρώιμες εργασίες, πώς οι υπολογιστές DNA μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εξαιρετικά ακριβή ανίχνευση καρκίνων. Θα το έκαναν αυτό δημιουργώντας μια συγκεκριμένη έξοδο εάν ένα κύτταρο εκφράζει πάρα πολύ από ένα συγκεκριμένο γονίδιο ή έχει συγκεκριμένες αλληλουχίες microRNA.
Ο υπολογισμός με βάση το DNA απαιτεί κάτι σαν μια νέα γλώσσα προγραμματισμού. Στα αρχικά πειράματα χρησιμοποιήθηκαν μοντέλα των αντιδράσεων που συμβαίνουν με ένα δεδομένο σύνολο συστατικών. Η Microsoft ανέπτυξε έκτοτε μια γλώσσα που ονομάζει «DNA Strand Displacement Tool», η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχεδιάσει τις ακολουθίες DNA που απαιτούνται για την εκτέλεση κυκλωμάτων και να μοντελοποιήσει το πώς θα συμβούν οι αντιδράσεις σε κάθε κύκλωμα.
Η τεχνολογία υπολογισμού DNA είναι απίθανο να αντικαταστήσει τους συμβατικούς υπολογιστές πυριτίου. Όμως μέσα σε πέντε έως δέκα χρόνια οι υπολογιστές που βασίζονται σε DNA θα μπορούσαν να ελεγχθούν για ιατρικές εφαρμογές.

What Can DNA-Based Computers Do? Biological computing is most promising for novel medical applications. 4/2/2015
https://www.technologyreview.com/2015/02/04/169455/what-can-dna-based-computers-do/

Τα 200mb δεδομένων μέσα σε DNA, από την Microsoft

Mεγάλο άλμα από την Microsoft

Μοιάζει με δοκιμαστικό σωλήνα με αποξηραμένο αλάτι στο κάτω μέρος, αλλά η Microsoft λέει ότι θα μπορούσε να είναι το μέλλον της αποθήκευσης δεδομένων. Η εταιρεία ανέφερε σήμερα ότι είχε γράψει περίπου 200 megabytes δεδομένων, συμπεριλαμβανομένων του «Πόλεμος και Ειρήνη» και 99 άλλων κλασικών λογοτεχνικών έργων, στο DNA. Eρευνητές έχουν αποδείξει ότι τα ψηφιακά δεδομένα μπορούν να αποθηκευτούν στο DNA στο παρελθόν, αλλά η Microsoft λέει ότι κανένας δεν έχει γράψει τόσα πολλά στο DNA ταυτόχρονα.
«Η εταιρεία ενδιαφέρεται να μάθει εάν μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα σύστημα που να αποθηκεύει πληροφορίες, να είναι αυτοματοποιημένο και να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εμπορική χρήση, με βάση το DNA», λέει η Karin Strauss, επικεφαλής ερευνήτρια της Microsoft στο έργο, στο οποίο συμμετέχουν επίσης ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον.

Η IDC προβλέπει ότι το σύνολο των αποθηκευμένων ψηφιακών δεδομένων παγκοσμίως θα φτάσει τα 16 τρισεκατομμύρια gigabyte το επόμενο έτος, τα περισσότερα από αυτά θα στεγάζονται σε τεράστια datacenter. H Strauss εκτιμά ότι ένα κουτί παπουτσιών με DNA θα μπορούσε να χωρέσει το ισοδύναμο περίπου 100 datacenter.

Ο Reinhard Heckel, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, ο οποίος έχει εργαστεί στον τρόπο αποθήκευσης δεδομένων στο DNA, το αποκαλεί αυτό «εντυπωσιακό». Αλλά λέει ότι το μεγαλύτερο εμπόδιο για να γίνει χρήσιμη η αποθήκευση δεδομένων στο DNA είναι το κόστος, επειδή η κατασκευή προσαρμοσμένων μορίων DNA είναι ακριβή. «Για να το χρησιμοποιήσουν οι άνθρωποι πραγματικά, πρέπει γίνει φθηνότερο από την μαγνητική ταινία, και αυτό θα είναι δύσκολο».
Η Microsoft δεν αποκαλύπτει λεπτομέρειες για το πόσα ξόδεψε για να δημιουργήσει την αποθήκευση δεδομένων DNA των 200 megabyte, η οποία απαιτούσε περίπου 1,5 δισεκατομμύριο βάσεις. Αλλά η Twist Bioscience, η οποία συνέθεσε το DNA, χρεώνει συνήθως 10 σεντς για κάθε βάση. Η σύνθεση DNA που διατίθεται στο εμπόριο μπορεί να κοστίσει μόλις 0,04 σεντς ανά βάση. Η ανάγνωση ενός εκατομμυρίου βάσεων DNA κοστίζει περίπου 1 σεντ.

H Strauss είναι πεπεισμένη ότι το κόστος ανάγνωσης και γραφής DNA θα μειωθεί σημαντικά τα επόμενα χρόνια. Λέει ότι υπάρχουν ήδη ενδείξεις ότι μειώνονται ταχύτερα από το κόστος κατασκευής τρανζίστορ τα τελευταία 50 χρόνια, μια τάση που υπήρξε η κινητήρια δύναμη πολλών καινοτομιών στους υπολογιστές. Kόστιζε περίπου 10 εκ. δολάρια για την ανάγνωση της αλληλουχίας ενός ανθρώπινου γονιδιώματος το 2007, αλλά κοντά στα 1.000 δολάρια το 2015.

Microsoft Reports a Big Leap Forward for DNA Data Storage. 7/7/2016
https://www.technologyreview.com/2016/07/07/158934/microsoft-reports-a-big-leap-forward-for-dna-data-storage/

«Μπορείς να γίνεις το ιατρικό σου ιστορικό»

Αντί για έναν συνεχώς αυξανόμενο αριθμό τεράστιων datacenter, που το καθένα καταναλώνει μεγάλες ποσότητες ενέργειας, είναι ωραίο να φανταστούμε έναν μικρό αριθμό datacenter από διαμάντια ή DNA. Είναι κυριολεκτικά πιθανό ότι θα μπορούσε ο καθένας μας κάποια μέρα να κουβαλάει μαζί του το δικό του datacenter.

Φαίνεται πολύ πιθανό ότι, εντός του ορατού μέλλοντος, θα μπορείτε να αναλύετε την αλληλουχία του DNA σας σε σχεδόν πραγματικό χρόνο, να την αναλύετε για ελαττώματα/μεταλλάξεις και να έχετε θεραπείες ειδικά προσαρμοσμένες στα αποτελέσματά σας - ενδεχομένως ακόμη και να επεξεργαστείτε τα γονίδια/DNA σας. Αυτός είναι άλλωστε και ο στόχος της «εξατομικευμένης ιατρικής» (Precision Medicine).

Αυτό που θα το έκανε ακόμα πιο κουλ είναι ότι, καθώς διαβάζουμε το DNA σας, διαβάζεται επίσης ολόκληρο το ιατρικό ιστορικό σας - ίσως από το cloud, αλλά ίσως και από συνθετικό DNA που θα έχετε εμφυτεύσει ή ακόμα και από το δικό σας DNA, αν αρχίσουμε να γράφουμε απευθείας σε αυτό. Και φυσικά, αυτά τα αρχεία DNA θα ενημερώνονται επίσης σε σχεδόν πραγματικό χρόνο.

Αυτό και αν είναι κατοχή των δικών σας δεδομένων!

You May Become Your Own Medical Record. 3/11/2016
https://tincture.io/you-may-become-your-own-medical-record-a0a0d7169ef2

DNA υπολογιστές ενάντια σε ιούς

Μην το πάρετε στραβά, αλλά είστε απλώς data. Τα γονίδια σας έχτισαν, από τις άκρες των ποδιών σας μέχρι την κορυφή του κεφαλιού σας. Υπό αυτή την έννοια, δεν είστε διαφορετικοί από έναν υπολογιστή: Ο κώδικας παράγει την έξοδο που είναι το σώμα σας.

Στην πραγματικότητα, τις τελευταίες δύο δεκαετίες, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν το πραγματικό DNA σαν να ήταν κυριολεκτικός κώδικας, μια διαδικασία που ονομάζεται DNA υπολογιστική (DNA computing), για να κάνουν πράγματα όπως τον υπολογισμό τετραγωνικών ριζών. Σήμερα, οι ερευνητές αναφέρουν στο περιοδικό Nature Communications ότι έχουν αναπτύξει DNA που ανιχνεύει αντισώματα – τους στρατιώτες που παράγει το σώμα σας για να καταπολεμήσει τους ιούς και τα σχετικά - εκτελώντας μια ακολουθία μοριακών οδηγιών. Κάποια μέρα, οι ίδιοι υπολογισμοί θα μπορούσαν να απελευθερώσουν αυτόματα φάρμακα ως απόκριση σε λοιμώξεις.

[...]

Σίγουρα, μπορείτε να κάνετε εξετάσεις αίματος για αντισώματα. Αυτός είναι ο παλιομοδίτικος τρόπος. Η ιδέα εδώ είναι να χρησιμοποιήσουμε μια μέρα την DNA υπολογιστική ως ένα μόνιμο όργανο ελέγχου για αντισώματα. Θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε αυτή τη ρύθμιση για να δημιουργήσετε νανοκάψουλες DNA που θα μεταφέρουν φάρμακα. «Το DNA που παράγει ο DNA υπολογιστής μας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ξεκλειδώσει αυτήν την νανοκάψουλα», λέει ο Maarten Merkx (βιοχημικός στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Αϊντχόβεν στην Ολλανδία και ο κύριος συγγραφέας στη νέα έρευνα). Η ομάδα του εξέταζε συγκεκριμένα ιούς όπως η γρίπη και ο ιός HIV, οπότε ίσως το «πακέτο» θα μπορούσε να μεταφέρει περισσότερα αντι-ιϊκά αντισώματα.

Η μελέτη αντιπροσωπεύει επίσης ένα άλμα στον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί η DNA υπολογιστική γενικά. «Προσφέρει σίγουρα ένα άλλο εργαλείο στην εργαλειοθήκη όσων θέλουν να σχεδιάσουν σύνθετες στρατηγικές υπολογισμών», λέει ο Philip Santangelo, βιομηχανικός της Georgia Tech που δεν συμμετείχε στην έρευνα. «Θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε πρωτεΐνες και ένζυμα για να δημιουργήσετε αρχιτεκτονικές υπολογιστών που χρησιμοποιούν πολλά βιομόρια, όχι μόνο DNA». Περισσότερη πολυπλοκότητα σημαίνει μεγαλύτερη ακρίβεια και ποιότητα στα είδη των προγραμμάτων που μπορούν να εκτελέσουν οι επιστήμονες.
Σίγουρα, μπορεί να είστε απλώς data. Αλλά στα σωστά χέρια, αυτά τα data θα μπορούσαν μια μέρα να κάνουν θαύματα για την ιατρική.

Running DNA Like a Computer Could Help You Fight Viruses One Day. 17/2/2017
https://www.wired.com/2017/02/running-dna-like-computer-help-fight-viruses-one-day/

H DARPA «εξερευνεί τις ευκαιρίες»

Καθώς αυξάνεται η πολυπλοκότητα και ο όγκος των παγκόσμιων ψηφιακών δεδομένων, αυξάνεται και η ανάγκη για πιο ικανά και συμπαγή μέσα επεξεργασίας και αποθήκευσης δεδομένων. Για να αντιμετωπίσει αυτή την πρόκληση, η DARPA ανακοίνωσε το πρόγραμμα Μοριακής Πληροφορικής, το οποίο αναζητά ένα νέο παράδειγμα για την αποθήκευση, την ανάκτηση και την επεξεργασία δεδομένων. Αντί να βασίζεται στη δυαδική ψηφιακή λογική των υπολογιστών που βασίζεται στην αρχιτεκτονική Von Neumann, η Molecular Informatics στοχεύει να διερευνήσει και να εκμεταλλευτεί το ευρύ φάσμα δομικών χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων των μορίων για την κωδικοποίηση και το χειρισμό δεδομένων.

«Η Χημεία προσφέρει ένα πλούσιο σύνολο ιδιοτήτων που μπορεί να είμαστε σε θέση να αξιοποιήσουμε για γρήγορη, επεκτάσιμη αποθήκευση και επεξεργασία πληροφοριών», δήλωσε η Anne Fischer, υπεύθυνη προγράμματος στο Γραφείο Επιστημών Άμυνας της DARPA. «Εκατομμύρια μόρια υπάρχουν και κάθε μόριο έχει μια μοναδική τρισδιάστατη ατομική δομή καθώς και μεταβλητές όπως το σχήμα, το μέγεθος ή ακόμα και το χρώμα. Αυτός ο πλούτος παρέχει έναν τεράστιο χώρο σχεδιασμού για την εξερεύνηση καινοτόμων και πολλαπλών τρόπων κωδικοποίησης και επεξεργασίας δεδομένων πέρα από τα 0 και 1 των σημερινών ψηφιακών αρχιτεκτονικών».

Turning to Chemistry for New “Computing” Concepts - DARPA explores approaches to store and process vast amounts of data using encoded molecules. 23/2/2017
https://www.darpa.mil/news-events/2017-03-23

Κωδικοποίηση των pixels ως κώδικα DNA, για την αποθήκευση του βίντεο στο DNA των βακτηρίων

Η CRISPR «βγάζει τα κύτταρα στον κινηματογράφο»

Οι ερευνητές αναπτύσσουν τρόπους για να αξιοποιήσουν το DNA, το αποτύπωμα της βιολογικής ζωής, ως συνθετική πρώτη ύλη για την αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ψηφιακών πληροφοριών έξω από ζωντανά κύτταρα, χρησιμοποιώντας ακριβά μηχανήματα. Αλλά, τι θα γινόταν αν μπορούσαν να εξαναγκάσουν τα ζωντανά κύτταρα, όπως μεγάλους πληθυσμούς βακτηρίων, να χρησιμοποιήσουν το δικό τους γονιδίωμα ως βιολογικό σκληρό δίσκο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την καταγραφή πληροφοριών και στη συνέχεια να αξιοποιηθούν αυτές ανά πάσα στιγμή; Μια τέτοια προσέγγιση θα μπορούσε όχι μόνο να ανοίξει εντελώς νέες δυνατότητες αποθήκευσης δεδομένων, αλλά και να κατασκευαστεί περαιτέρω σε μια αποτελεσματική συσκευή μνήμης που μπορεί να καταγράφει τις μοριακές εμπειρίες που έχουν τα κύτταρα κατά την ανάπτυξή τους ή την έκθεση σε στρες και παθογόνα με χρονολογική σειρά.

Το 2016, μια ομάδα του Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering και της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ (HMS) με επικεφαλής τον George Church, μέλος της σχολής Wyss Core, κατασκεύασε τον πρώτο μοριακό καταγραφέα που βασίζεται στο σύστημα CRISPR, το οποίο επιτρέπει στα κύτταρα να αποκτούν DNA πληροφορίες με χρονολογική σειρά, για τη δημιουργία μιας ανάμνησής τους στο γονιδίωμα βακτηρίων ως κυτταρικό μοντέλο. Οι πληροφορίες, που είναι αποθηκευμένες ως μια σειρά ακολουθιών στο CRISPR, μπορούν να ανακληθούν και να χρησιμοποιηθούν για την ανακατασκευή ενός χρονολόγιου γεγονότων. Ωστόσο, «όσο υποσχόμενο κι αν ήταν αυτό, δεν ξέραμε τι θα συνέβαινε όταν θα προσπαθούσαμε να παρακολουθήσουμε περίπου εκατό ακολουθίες ταυτόχρονα ή αν θα λειτουργούσε τελικά. Αυτό ήταν κρίσιμο, δεδομένου ότι στοχεύουμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το σύστημα για να καταγράψουμε πολύπλοκα βιολογικά συμβάντα», δήλωσε ο Seth Shipman, μεταδιδακτορικός συνεργάτης που συνεργάζεται με τον Church.

Τώρα, σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature, η ίδια ομάδα δείχνει σε θεμελιώδη πειράματα απόδειξης ότι το σύστημα CRISPR, που αναπτύχθηκε περαιτέρω ως μια πρώτη στο είδος του προσέγγιση, είναι σε θέση να κωδικοποιεί πληροφορίες τόσο περίπλοκες όσο μια ψηφιοποιημένη εικόνα ενός ανθρώπινου χεριού και μια από τις πρώτες κινηματογραφικές ταινίες που έγιναν ποτέ, αυτή ενός αλόγου που καλπάζει, σε ζωντανά κύτταρα.

«Σε αυτή τη μελέτη, δείχνουμε ότι δύο πρωτεΐνες του συστήματος CRISPR, η Cas1 και η Cas2, που τις έχουμε μετατρέψει σε ένα εργαλείο μοριακής καταγραφής, μαζί με μια νέα κατανόηση των απαιτήσεων αλληλουχίας για βέλτιστους διαχωριστές, επιτρέπουν μια σημαντικά αυξημένη δυνατότητα απόκτησης “αναμνήσεων” και απόθεσή τους στο γονιδίωμα - ως πληροφορίες που μπορούν να παρέχονται εξωτερικά από ερευνητές ή που στο μέλλον θα μπορούσαν να δημιουργηθούν από τις “φυσικές εμπειρίες” των κυττάρων», δήλωσε ο Church, ο οποίος είναι επίσης καθηγητής γενετικής στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και Καθηγητής Επιστημών και Τεχνολογίας Υγείας στο Χάρβαρντ και στο MIT. «Αξιοποιημένη περαιτέρω, αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να παρουσιάσει έναν τρόπο να παρακινηθούν διαφορετικοί τύποι ζωντανών κυττάρων στα φυσικά περιβάλλοντά τους ώστε να καταγράφουν τις διαμορφωτικές αλλαγές που υφίστανται, σε ένα συνθετικά δημιουργημένο χώρο μνήμης στο γονιδίωμά τους».

[…]

Σε μελλοντικές εργασίες, η ομάδα θα επικεντρωθεί στην εγκατάσταση συσκευών μοριακής καταγραφής σε άλλους τύπους κυττάρων και στην περαιτέρω μηχανική του συστήματος έτσι ώστε να μπορεί να απομνημονεύει βιολογικές πληροφορίες. «Μια μέρα, ίσως να μπορέσουμε να ακολουθήσουμε όλες τις αναπτυξιακές αποφάσεις που παίρνει ένας διαφοροποιητικός νευρώνας, από το στάδιο του πρώιμου βλαστοκύτταρου μέχρι αυτό του εξαιρετικά εξειδικευμένου τύπου κυττάρου στον εγκέφαλο. Αυτό θα μας οδηγήσει σε μια καλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο “χορογραφούνται” οι βασικές βιολογικές και αναπτυξιακές διαδικασίες», είπε ο Shipman, ο οποίος, εκτός από τον Church, έχει επίσης καθοδηγητή τον νευροβιολόγο και συν-συγγραφέα Jeffrey Macklis, καθηγητή Επιστημών Ζωής και καθηγητή Βλαστοκυττάρων και Αναγεννητικής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Μόλις προσαρμοστεί σε συγκεκριμένα παραδείγματα, αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε καλύτερες μεθόδους για τη δημιουργία κυττάρων για αναγεννητική θεραπεία, μοντελοποίηση ασθενειών και δοκιμές φαρμάκων.

«Αυτή η πρωτοποριακή τεχνολογία προάγει τον τομέα της αποθήκευσης πληροφοριών με βάση το DNA, αξιοποιώντας τον βιολογικό μηχανισμό των ζωντανών κυττάρων για την καταγραφή, την αρχειοθέτηση και τη διάδοση αυτών των πληροφοριών, επιπλέον της παροχής ενός νέου τρόπου μελέτης των δυναμικών βιολογικών και αναπτυξιακών διεργασιών μέσα στο ζωντανό σώμα. Είναι ένα ακόμη παράδειγμα βιοεμπνευσμένης μηχανικής στα καλύτερά της», δήλωσε ο ιδρυτικός διευθυντής του Ινστιτούτου Wyss, Donald Ingbe, ο οποίος είναι επίσης καθηγητής Αγγειακής Βιολογίας του Judah Folkman στο HMS και του Προγράμματος Αγγειακής Βιολογίας στο Νοσοκομείο Παίδων της Βοστώνης, καθώς και Καθηγητής Βιομηχανικής στο SEAS.

Taking cells out to the movies with new CRISPR technology - Genome engineering technology transforms living cells into archival data storage devices that capture, store, and propagate information over time. 12/7/2017
https://wyss.harvard.edu/news/taking-cells-out-to-the-movies-with-new-crispr-technology/

Συνέχεια στο δεύτερο μέρος >>

Σημείωση

1 - DNA Digital Data Storage Market Forecast to 2028
https://www.researchandmarkets.com/reports/5557873
[ επιστροφή]