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biosinteticoIl batterio versatile agisce allo stesso tempo come bioinsetticida e biofungicidaPost recenti da "Speciali"Lo strato di cera con doppia funzione assicura la sopravvivenza della coloniaDiventa sempre più piccolo: un motore fatto di DNASostituti dello zucchero a base di sottoprodotti della produzione alimentareA causa della digitalizzazione, la quantità di dati da archiviare cresce in modo esponenziale.DNA offre un'alternativa robusta e compatta ai tradizionali supporti di memorizzazione.Per fare ciò, devono essere sviluppati nuovi metodi che siano particolarmente adatti alle proprietà del DNA.La condivisione delle informazioni ci consente di basarci sulle lezioni apprese in passato.La lingua è un modo per trasmettere ciò che hai imparato alla generazione successiva.Con lo sviluppo della scrittura (codifica di suoni in caratteri) nel corso della storia umana, le conoscenze acquisite potrebbero essere trasmesse in modo ancora più affidabile.Inizialmente si usavano tavolette di pietra o legno, poi carta.Con la stampa dei libri, questa trasmissione è stata automatizzata per la prima volta e quindi l'ha rivoluzionata.Nel tempo, abbiamo sviluppato vari metodi per archiviare le conoscenze acquisite in modo da renderle accessibili alle generazioni future.Nell'ultimo secolo sono stati sviluppati sempre più media e tecnologie per archiviare e quindi archiviare segnali audio (es. dischi, cassette, CD) o video (cassette, VHS, DVD) oltre ai testi.A causa della diffusione del computer e della conseguente digitalizzazione, gran parte delle informazioni è ora disponibile in forma digitale o viene convertita in questa.La memorizzazione digitale presenta molti vantaggi rispetto alla memorizzazione analogica (testo, immagine, ecc.), ad es.B. grandi capacità di archiviazione in spazi ridottissimi, copia semplice e veloce e ricerca efficiente delle parole chiave.Tuttavia, l'archiviazione dei dati digitali per periodi di tempo molto lunghi è una sfida.I supporti di memorizzazione utilizzati, come nastri, dischi rigidi, CD e DVD, hanno una durata limitata.Si basano su rivestimenti magnetici o strati di riflessione ottica che possono essere letti solo per pochi anni e quindi devono essere copiati a intervalli regolari.È quindi necessario un elevato livello di manutenzione per preservare i dati per un periodo di tempo più lungo ed evitare la perdita di informazioni.Questo problema fondamentale è spesso associato alla minaccia di una "età oscura digitale", ovvero un futuro in cui tutte le informazioni digitali sono andate perdute.In questo contesto, ad esempio, la mancanza di tecnologia per la lettura del supporto dati o la perdita di informazioni digitali a causa di un evento di Carrington, i.H.chiamate tempeste solari magnetiche [1, 2].L'archiviazione a lungo termine dei dati e la (de)codifica delle informazioni sono di importanza epocale.I formati obsoleti che non sono più leggibili a causa della codifica o dell'usura causano già una perdita di informazioni.Allo stesso tempo, la quantità di dati cresce ogni giorno.Il nostro tempo è caratterizzato dal termine Big Data, che viene utilizzato in molti diversi ambiti di applicazione.Più complesso e v.un.generare maggiori quantità di dati.Nel medio termine i sistemi di storage utilizzati fino ad oggi non saranno più sufficienti per questo, in quanto la quantità di dati sta crescendo in modo esponenziale.Un modo per risolvere questo problema di archiviazione a lungo termine è utilizzare il DNA come supporto di memorizzazione.Rispetto allo storage tradizionale, questo ha il potenziale per una maggiore capacità di archiviazione e una maggiore durata.La durata di conservazione prolungata potrebbe rendere superflua la copia dei dati e i dati potrebbero anche essere archiviati in modo molto compatto nelle memorie molecolari.L'enorme capacità di immagazzinamento del DNA può essere illustrata molto bene utilizzando il genoma umano, che consiste di 23 paia di cromosomi con un totale di circa 6 miliardi di paia di basi.Allineati in fila, ciò corrisponde a una lunghezza di circa 2 m di DNA per cellula.Tutti i dati del mondo potrebbero essere archiviati in 1 kg di DNA [1].In confronto, avresti bisogno di circa 44 miliardi di dischi rigidi con 500 GB di volume di archiviazione [1], che corrisponde quasi al numero stimato di stelle nella nostra Via Lattea [2] (vedi Fig. 2).Oltre all'enorme densità di dati del DNA, ha anche una durata di conservazione estremamente lunga in condizioni ottimali.Quindi ad es.B. Dal permafrost artico si possono ottenere sequenze geniche di ossa di Neanderthal di circa 50.000 anni e resti di un cavallo di circa 700.000 anni fa.Fig. 2: Confronto tra supporti di memorizzazione tradizionali e DNA come supporto di memorizzazione [7].(Immagine: Università Philipps di Marburgo)Studi sull'invecchiamento accelerato del DNA fossilizzato artificialmente stimano che il loro tempo di ritenzione sia di circa 2.000 anni a 10°C e fino a 2 milioni di anni a -18°C.Studi più recenti calcolano addirittura 4 milioni di anni a 20 °C e 20 milioni di anni a 10 °C in un ambiente secco.L'idrolisi è la forza trainante della perdita di informazioni durante la conservazione del DNA, quindi le condizioni di conservazione hanno un enorme impatto sulla sua durata.Quando si conserva il DNA, è anche concepibile la conservazione in vivo.Le informazioni codificate nel DNA verrebbero introdotte nei batteri.Questo ha il vantaggio che il DNA è immagazzinato in un ambiente stabile e può essere facilmente copiato dalla divisione cellulare dei batteri.Rispetto allo storage tradizionale come hard disk o memoria flash con una densità di dati di circa 1013 o 1016 bit per cm3, il DNA raggiunge una densità di dati di 1019 bit per cm3, ovvero una densità di dati di 1 miliardo di TB per grammo con un enorme stabilità molecolare [1].Le informazioni digitali sono memorizzate in formato binario, quindi ogni file è codificato come una sequenza di 0 e 1.Tuttavia, il DNA è costituito dai quattro nucleotidi adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T), che possono essere legati covalentemente come polimero in qualsiasi ordine.Il DNA è complementare, i.H.per ogni filo c'è un controfilo.I nucleotidi adenina, timina e guanina si legano ciascuno alla citosina tramite legami idrogeno.Una traduzione di dati binari nelle quattro basi (quaternarie) è quindi facile da implementare.Sfide simili sorgono quando si codificano le informazioni nel DNA come nella codifica binaria.Durante la memorizzazione possono verificarsi errori dovuti a scrittura, lettura o memorizzazione (vedi Fig. 3).Deve essere possibile correggere questi errori, i.H.ad es.Ad esempio, per salvare un testo, le singole lettere del testo devono prima essere assegnate a sequenze di numeri binari (o sequenze di DNA).Fig. 3: Il DNA come archiviazione dei dati: i dati digitali vengono tradotti (codificati) e sintetizzati in DNA, che può essere archiviato sia in vivo che in vitro.Il DNA può essere letto nuovamente mediante sequenziamento e ricondotto in un file digitale (decodifica).(Immagine: Università Philipps di Marburgo)Questo passaggio è chiamato codifica.Per il testo, ad esempio, ci sono codifiche ASCII o UTF-8 nel dominio digitale.Questi cosiddetti codici vengono poi utilizzati anche per la correzione degli errori.La selezione della sequenza numerica binaria è progettata in modo tale che gli errori possano essere riconosciuti e corretti.Concetti simili sono necessari anche per il DNA.Tuttavia, le proprietà chimiche e biologiche determinano limitazioni che devono essere prese in considerazione.La stabilità del DNA è fortemente influenzata dal contenuto di GC (proporzione dei nucleotidi citosina e guanina).Citosina e guanina si legano con tre legami idrogeno ciascuna, adenina e timina con due legami idrogeno.Quando si utilizza il DNA, è necessario prestare attenzione per mantenere un contenuto di GC stabile dal 40 al 60%.Al di fuori di questo intervallo, il DNA diventa instabile, il che può portare alla degenerazione e alla perdita di informazioni durante l'archiviazione, la sintesi o la lettura.Inoltre, gli omopolimeri (ripetizioni più lunghe dello stesso nucleotide) sono difficili da leggere.Con le tecniche di sequenziamento attualmente utilizzate, è spesso difficile determinare la lunghezza esatta di un omopolimero.Inoltre, a seconda della tecnica di sequenziamento, alcuni motivi sono spesso più soggetti a errori.Sezioni brevi e specifiche del DNA sono indicate come motivi.Inoltre, questi possono anche svolgere un ruolo nella sintesi, così che alcune sezioni del DNA devono rimanere riservate ai primer e non devono essere caricate di informazioni.Anche i motivi svolgono un ruolo importante nella conservazione in vivo.Da un lato devono essere evitate sequenze che possono portare alla lettura del DNA, ma anche alla perdita del DNA durante la divisione cellulare [3].Con il progetto del genoma umano, all'inizio del millennio sono stati sviluppati metodi di sequenziamento sempre più veloci.Questo metodo, noto come sequenziamento di nuova generazione (NGS), consente di leggere rapidamente le sequenze di DNA.Vengono sviluppati metodi sempre più veloci ed economici.La sintesi del DNA, ovvero la scrittura del DNA, attualmente richiede molto tempo ed è più costosa della sua lettura.Tuttavia, è prevedibile che i costi ei tempi necessari diminuiranno nei prossimi anni.Le limitazioni per la memorizzazione dei dati del DNA per evitare errori sono attualmente:I primi tentativi di memorizzare informazioni nel DNA si possono trovare già nel 1999. Le singole lettere/numeri sono state assegnate a terzine [4].Tuttavia, questa tecnica è stata utilizzata meno per memorizzare grandi quantità di dati e più per introdurre messaggi segreti nel DNA [5].Negli ultimi 20 anni sono stati sviluppati algoritmi sempre migliori per memorizzare le informazioni nel DNA.Vengono spesso utilizzate tecniche simili a quelle utilizzate per archiviare le informazioni digitali.Allo stesso tempo, sono stati sviluppati metodi sempre migliori per leggere rapidamente il DNA.I cosiddetti metodi Next-Generation-Sequencing (NGS) consentono nel frattempo di leggere il DNA anche con dispositivi portatili delle dimensioni di uno smartphone.Negli approcci più recenti alla memorizzazione delle informazioni nel DNA, vengono utilizzati algoritmi originariamente utilizzati per gestire gli errori nella trasmissione di dati nelle reti di computer.Gli algoritmi sono stati sempre adattati meglio alle proprietà del DNA e sono stati presi in considerazione i limiti delle sue proprietà chimiche e biologiche.Nel frattempo, i testi delle canzoni, le immagini e i libri potrebbero già essere archiviati nel DNA.La conservazione del DNA avviene principalmente in vitro.Fig. 4: Insieme all'Hightech-Forum (https://www.hightech-forum.de/en/), sono state inviate a partecipanti selezionati 400 provette con DNA di conservazione [6].(Immagine: Università Philipps di Marburgo)Allo sviluppo di questi algoritmi è dedicato anche il Loewe focus Mosla (memoria molecolare per l'archiviazione a lungo termine).Il team ha lavorato su problemi di archiviazione sia in vitro che in vivo.i.a.il rapporto sui risultati del forum high-tech è stato archiviato in DNA nel 2021 (vedi Fig. 4).Questi 400 tubi sono stati inviati alle parti interessate che possono restituirli in quattro anni.Il team prevede quindi di decodificare nuovamente i tubi e utilizzarli come esperimento di invecchiamento [6].Inoltre, il team è stato recentemente in grado di sviluppare un metodo per utilizzare il DNA per generare parole che, oltre al contenuto stabile di GC e all'eliminazione degli omopolimeri, possono anche escludere motivi personalizzati.Questo approccio consente di reagire in modo flessibile alle tecniche di sintesi e di archiviazione e costituisce quindi una base per ulteriori algoritmi di codifica [7].Altri algoritmi di Mosla consentono l'accesso casuale [8], ovvero la lettura solo di determinati dati dalla memoria del DNA, avvicinandola sempre più all'uso commerciale.[1] Extance A (2016): come il DNA potrebbe archiviare tutti i dati del mondo.(2016)[2] https://www.nationalgeographic.de/wissenschaft/2018/01/10-fakten-ueber-unsere-milchstrasse[3] Schwarz, M., Welzel, M., Kabdullayeva, T., Becker, A., Freisleben, B. e Heider, D. (2020).MESA: valutazione automatizzata di frammenti di DNA sintetico e simulazione di errori di sintesi, memorizzazione, sequenziamento e PCR del DNA.Bioinformatica, 36(11), 3322-3326.[4] Clelland, CT, Risca, V., & Bancroft, C. (1999).Nascondere i messaggi nei micropunti del DNA.Natura, 399(6736), 533-534.[5] Heider, D., & Barnekow, A. (2007).Filigrane basate sul DNA che utilizzano l'algoritmo DNA-Crypt.Bioinformatica BMC, 8(1), 1-10.[6] https://mosla.mathematik.uni-marburg.de/dna-speicher-zum-anfass/[7] Löchel, HF, Welzel, M., Hattab, G., Hauschild, AC e Heider, D. (2021).Costruzione frattale di parole in codice vincolate per sistemi di memorizzazione del DNA.Ricerca sugli acidi nucleici.[8] El-Shaikh, A., Welzel, M., Heider, D. e Seeger, B. (2022).Accesso casuale su larga scala ai sistemi di archiviazione del DNA.Genomica e bioinformatica NAR, 4(1)* dottHF Loechel, Prof. Dr.D. Heider, Università Philipps di Marburgo, 35032 MarburgoCliccando su "Iscriviti alla newsletter" acconsento al trattamento e all'utilizzo dei miei dati secondo la dichiarazione di consenso (si prega di aprire per i dettagli) e accetto i termini di utilizzo.Posso trovare maggiori informazioni nella nostra politica sulla privacy.Inutile dire che trattiamo i tuoi dati personali in modo responsabile.Se raccogliamo dati personali da te, li elaboriamo in conformità con le normative applicabili sulla protezione dei dati.Puoi trovare informazioni dettagliate nella nostra dichiarazione sulla protezione dei dati.Accetto che Vogel Communications Group GmbH & Co. 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