سیستم ویرایش پلاسمید دوگانه جدید برای بازنویسی اطلاعات مبتنی بر DNA در داخل بدن



اطلاعات مبتنی بر DNA یک زمینه میان رشته ای جدید است که فناوری اطلاعات و بیوتکنولوژی را به هم مرتبط می کند. این زمینه امیدوار است با استفاده از DNA به عنوان یک رسانه ذخیره سازی اطلاعات، نیاز عظیم به ذخیره سازی طولانی مدت داده ها را برآورده کند. با وجود وعده DNA مبنی بر پایداری قوی، چگالی ذخیره سازی بالا و هزینه نگهداری کم، محققان با مشکلاتی در بازنویسی دقیق اطلاعات دیجیتال کدگذاری شده در توالی های DNA مواجه هستند.

به طور کلی، فناوری ذخیره سازی داده های DNA دارای دو حالت است، یعنی “حالت هارد دیسک in vitro” و “حالت CD in vivo”. مزیت اصلی حالت in vivo همانندسازی کم هزینه و قابل اعتماد DNA کروموزومی توسط تکثیر سلولی است. با توجه به این ویژگی، می توان از آن برای انتشار سریع و کم هزینه کپی داده ها استفاده کرد. از آنجایی که توالی های DNA کدگذاری شده برای برخی اطلاعات حاوی تعداد زیادی تکرار و ظاهر همپلیمرها هستند، با این حال، چنین اطلاعاتی فقط می توانند “نوشتن” و “خوانده شوند”، اما نمی توان به طور دقیق “بازنویسی” کرد.

برای حل مشکل بازنویسی، پروفسور لیو کای از دپارتمان شیمی دانشگاه تسینگ‌هوا، پروفسور لی جینجینگ از مؤسسه شیمی کاربردی چانگچون (CIAC) آکادمی علوم چین و پروفسور چن دونگ از دانشگاه ژجیانگ رهبری کردند. تیم تحقیقاتی که اخیراً یک سیستم ویرایش پلاسمید دوگانه برای پردازش دقیق اطلاعات دیجیتال در یک ناقل میکروبی ایجاد کرده است. یافته های آنها در منتشر شد پیشرفت علم.

محققان یک سیستم پلاسمید دوگانه را با استفاده از یک الگوریتم کدگذاری منطقی و یک ابزار ویرایش اطلاعات ایجاد کردند. این سیستم پلاسمید دوگانه برای ذخیره، خواندن و بازنویسی انواع مختلف اطلاعات از جمله متن، کتاب کد و تصاویر مناسب است. این به طور کامل قابلیت کدگذاری توالی های DNA را بدون نیاز به هیچ گونه شاخص آدرس دهی یا توالی پشتیبان بررسی می کند. همچنین با انواع مختلف الگوریتم های کدنویسی سازگار است، بنابراین کارایی کدگذاری بالایی را ممکن می سازد. به عنوان مثال، بازده کدگذاری سیستم فعلی به 4.0 بیت در هر نوکلئوتید می رسد.

برای دستیابی به راندمان بالا و همچنین قابلیت اطمینان در بازنویسی اطلاعات پیچیده ذخیره شده در توالی های DNA اگزوژن در داخل بدن، از انواع پروتئین های مرتبط با CRISPR (Cas) و recombinase استفاده شد. ابزارها توسط RNA CRISPR (crRNA) مربوطه خود هدایت شدند تا یک مکان هدف را در یک توالی DNA برش دهند تا بتوان اطلاعات خاص را مورد خطاب قرار داد و بازنویسی کرد. به دلیل ویژگی بالا بین جفت‌های مکمل مولکول‌های اسید نوکلئیک، توالی‌های DNA رمزگذاری‌شده با اطلاعات با دقت توسط recombinase بازسازی شدند تا اطلاعات جدید را رمزگذاری کنند. با توجه به بهینه سازی توالی crRNA، ابزار بازنویسی اطلاعات به شدت با اطلاعات پیچیده سازگار شد، بنابراین منجر به قابلیت اطمینان بازنویسی تا 94٪ شد که قابل مقایسه با سیستم های ویرایش ژن موجود است.

سیستم پلاسمید دوگانه می تواند به عنوان یک پلت فرم جهانی برای بازنویسی اطلاعات مبتنی بر DNA در داخل بدن عمل کند، بنابراین یک استراتژی جدید برای پردازش اطلاعات و بازنویسی خاص هدف داده های بزرگ و پیچیده در سطح مولکولی ارائه می دهد.

ما معتقدیم که این استراتژی می تواند در میزبان زنده با ژنوم بزرگتر مانند مخمر نیز اعمال شود که راه را برای کاربردهای عملی در مورد ذخیره سازی داده های بزرگ هموار می کند.”


پروفسور لیو کای، گروه شیمی، دانشگاه Tsinghua

منبع:

دفتر مرکزی آکادمی علوم چین

مرجع مجله:

لیو، ی.، و همکاران (2022) پردازش In vivo اطلاعات دیجیتال به صورت مولکولی با ویژگی هدفمند و قابلیت اطمینان قوی. پیشرفت علم doi.org/10.1126/sciadv.abo7415.



منبع