私たちのDNAは、世界で最も小さなハードドライブになりつつあります

私たちのDNAは、世界で最も小さなハードドライブになりつつあります化学

DNAにデータを記録するより高速な方法を提案。デジタルデータの保存や神経細胞の記録などの分野で期待されます。

膨大なエネルギーとスペースを必要とし、コストのかかる既存のソリューションに比べて、私たちの遺伝子コードは数百万倍も効率的にデータを保存することができます。

実際、ハードディスクを廃止して、地球上のすべてのデジタルデータを数百ポンドのDNAに保存することができます。

DNAを高密度のデータ記憶媒体として利用することで、バイオセンシングやバイオレコーディング技術、次世代のデジタルストレージに画期的な進歩をもたらす可能性がありますが、研究者たちはこの技術を拡大するための非効率性を克服できずにいました。

今回、ノースウェスタン大学の研究者らは、数時間または数日ではなく、数分でDNAに情報を記録する新しい方法を提案しています。

研究チームは、新しい酵素システムを用いて、急速に変化する環境信号を直接DNA配列に記録するDNAを合成しました。

この方法は、科学者が脳内の神経細胞を研究・記録する方法を変える可能性があると、論文の上席著者は述べています。

この研究は、「Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis」として、9月30日(木)にJournal of the American Chemical Society誌に掲載されました。

論文の主執筆者であるノースウェスタン大学工学部のKeith E.J. Tyo教授は、研究室ではDNAの自然な能力を利用して、データを保存するための新しいソリューションを作ることに興味を持っていたと述べています。

「自然界はDNAをコピーすることに長けていますが、私たちはDNAをゼロから書き込むことを望んでいました。私たちの方法は、DNAを合成する酵素を直接操作できるので、情報を書き込むのにずっとコストがかかりません。最先端の細胞内記録は、信号に応じてタンパク質を発現させるという機械的なステップが必要なため、さらに時間がかかります。一方、私たちの酵素はすべて前もって発現しており、継続的に情報を保存することができます。」とTyo氏は語ります。

同校マコーミック工学院の化学・生物工学の教授であるTyo氏は、合成生物学センターのメンバーとして、微生物と、環境の変化を感知してそれに素早く対応するメカニズムを研究しています。

タンパク質の発現をバイパスする

細胞内の分子データやデジタルデータをDNAに記録する既存の方法では、既存のDNA配列に新しいデータを追加する複数のプロセスが必要です。

正確な記録を得るためには、特定のタンパク質の発現を刺激したり抑制したりする必要があり、その作業には10時間以上かかることもあります。

Tyo氏の研究室は、「TIME-Sensitive Untemplated Recording using Tdt for Local Environmental Signals(TURTLES)」と名付けた新しい方法を使えば、DNAのテンプレートをコピーする代わりに、まったく新しいDNAを合成して、より速く、より高い解像度で記録することができるのではないかと考えました。

DNAポリメラーゼが塩基を追加し続けると、環境の変化が合成されたDNAの組成に影響を与え、数分単位で遺伝暗号にデータが記録されていきます。

ポリメラーゼが記録した環境の変化、例えば金属の濃度変化などは、「分子のテロップ」として、環境変化の時間を科学者に知らせてくれます。

バイオセンサーを使ってDNAの変化を記録することは、TURTLESが細胞内で使用可能であることを証明する大きなステップであり、記録されたDNAを使って、神経細胞が互いにコミュニケーションをとる仕組みを研究できるようになるかもしれません。

共同執筆者でTyo氏の研究室の博士研究員であるNamita Bhan氏は、「これは、いつの日か何百万もの細胞間の相互作用を同時に研究できるようになる方法の、非常にエキサイティングな概念実証です。これまでに報告されたことのない直接的な酵素変調記録システムがあると思います。」と述べています。

脳細胞から汚染された水まで

TURTLESは、その拡張性と精度の高さから、脳研究を飛躍的に進展させるツールの基礎となる可能性があります。

Tyo氏の研究室の大学院生で、共同執筆者のAlec Callisto氏によると、現在の技術では、脳の神経細胞のごく一部しか研究できず、しかも、それにも限界があるといいます。

脳内のすべての細胞にレコーダーを設置すれば、刺激に対する反応を、多数(100万個)のニューロンにわたって単一細胞の分解能でマッピングすることができます。

「現在の技術では、人間の脳の数百億個のニューロンはおろか、ゴキブリの脳全体を同時に記録できるようになるまでには、数十年かかるでしょう。だからこそ、私たちはこれをぜひとも加速させたいのです。」とCallisto氏は言います。

体外では、TURTLESシステムは、爆発的に増加するデータストレージのニーズ(2025年までに最大175ゼタバイト)に対応するためのさまざまなソリューションにも利用できます。

特に、監視カメラの映像を保存するような長期的なアーカイブデータの用途に適しています。

チームはこのようなデータを「一度だけ書いて、二度と読まない」データと呼んでいますが、事件が起きたときにアクセスできるようにしておく必要があります。

エンジニアが開発した技術を使えば、長年愛用してきたカメラの記憶を保存しているハードディスクやディスクドライブも、DNAの断片に置き換えられるかもしれません。

また、この「テロップ」機能は、ストレージ以外にも、飲料水の重金属濃度のような環境汚染物質をモニターするバイオセンサーとしても利用できます。

この研究室では、デジタル記録と細胞記録の両方で概念実証を行うことに重点を置いていますが、研究チームは、より多くのエンジニアがこのコンセプトに興味を持ち、研究にとって重要な信号の記録に使用できるようになることを期待しています。

Tyo氏は次のように述べています。

「私たちは、強固な細胞内記録に必要なゲノム基盤と細胞技術を構築しているところです。これは、私たちの長期的な目標を達成するための一歩です。」

Published by Northwestern University. Namita Bhan et al, Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis, Journal of the American Chemical Society (2021). DOI: 10.1021/jacs.1c07331
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