Αμερικανικό πείραμα μετατρέπει το DNA σε μνήμη RAM

Pakpoom Subsoontorn (left) and Jerome Bonnet show off a petri dish with two arrows formed of cells modified using their Recombinase Addressable Data storage device.

Μια πειραματική μέθοδος που επιτρέπει την εγγραφή ψηφιακής πληροφορίας στο γενετικό υλικό βακτηρίων είναι το τελευταίο ορόσημο στο χώρο της συνθετικής βιολογίας.
Ερευνητές του Πανεπιστημίου Στάνφορντ στην Καλιφόρνια χρησιμοποίησαν ένα συνδυασμό ενζύμων για να κωδικοποιήσουν 1 bit πληροφορίας στο γενετικό υλικό του βακτηρίου Escherichia coli.
Η αποθήκευση ενός και μόνο bit δεν ακούγεται σημαντικό επίτευγμα, στην πραγματικότητα όμως ήταν ένας τεχνικός άθλος που ίσως ανοίγει το δρόμο για τους πρώτους βιολογικούς υπολογιστές.

Η μελέτη δημοσιεύεται στην έγκριτη επιθεώρηση PNAS.

Ψηφιακό DNA

Under ultraviolet light, petri dishes containing cells glow red or green depending upon the orientation of a specific section of genetic code inside the cells' DNA. The section of DNA can be flipped back and forth using the RAD technique. (Credit: Image courtesy of Stanford University Medical Center)

 
Από τα τέλη της δεκαετίας του 1950, οι βιολόγοι γνωρίζουν ότι η γενετική πληροφορία είναι κυριολεκτικά ψηφιακή. Σε αντίθεση όμως με τους υπολογιστές, οι οποίοι κωδικοποιούν την πληροφορία με δύο μόνο ψηφία (στο δυαδικό σύστημα του «0» και του «1»), το αλφάβητο του DNA αποτελείται από τέσσερα ψηφία, τις χημικές βάσεις Α, Τ, C, G.

Θεωρητικά, είναι δυνατό να χρησιμοποιήσει κανείς αυτά τα τέσσερα γράμματα για να κωδικοποιήσει οποιαδήποτε πληροφορία (πχ λέξεις) σε μόρια DNA. Όμως, το πρόβλημα με αυτού του είδους τη μνήμη είναι ότι το περιεχόμενό της δεν μπορεί να διαγραφεί και να επανεγγραφεί κατά βούληση, όπως συμβαίνει με τη μνήμη RAM των υπολογιστών.

Αντίθετα, η νέα βιολογική μνήμη του Στάνφορντ είναι πραγματικά επανεγγράψιμη -το αποθηκευμένο bit πληροφορίας μπορεί να αλλάξει τιμή («0» ή «1») μέχρι και 16 φορές χωρίς να αλλοιωθεί.

Σε αυτή την περίπτωση, όμως, η πληροφορία δεν κωδικοποιείται στην αλληλουχία των βάσεων του μορίου DNA, αλλά στον προσανατολισμό του μορίου. Συγκεκριμένα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δύο ένζυμα που προέρχονται από ιούς, τα οποία μπορούν να αποκόπτουν τμήματα του DNA, να αντιστρέφουν τον προσανατολισμό τους και να τα επανασυνδέουν πίσω στην αρχική τους θέση.

Για παράδειγμα, αν η αλληλουχία του DNA έχει προσανατολισμό A→Β, το bit λαμβάνει την τιμή «1». Όταν αργότερα ο προσανατολισμός της αλληλουχίας αλλάξει σε Β→Α, το bit παίρνει την τιμή «0».

Ο προσανατολισμός της αλληλουχίας μπορεί να αλλάζει κατά βούληση με τον προσεκτικό έλεγχο των δύο ενζύμων, τα οποία αποκόπτουν, αντιστρέφουν και επανασυνδέουν την αλληλουχία στο DNA του βακτηρίου.

Και αλλαγή του προσανατολισμού γίνεται ορατή διά γυμνού οφθαλμού, καθώς αλλάζει την έκφραση (λειτουργία) ορισμένων γονιδίων, έτσι ώστε το βακτήριο να αλλάζει χρώμα ανάλογα με το εάν το bit λαμβάνει την τιμή «0» ή «1».

Η λειτουργία του συστήματος ακούγεται απλή, στην πραγματικότητα όμως οι ερευνητές πειραματίζονταν επί τρία χρόνια με 750 διαφορετικούς σχεδιασμούς, πριν καταφέρουν τελικά να δημιουργήσουν τη ζωντανή RAM.

Σκοπεύουν τώρα να συνεχίσουν τις προσπάθειες, ακόμα και για μια δεκαετία αν χρειαστεί, προκειμένου να αυξήσουν το μέγεθος της μνήμης στο 1 byte, το οποίο περιλαμβάνει 8 bit.

Πηγή: Newsroom ΔΟΛ
 http://www.sciencedaily.com/releases/2012/05/120521163751.htm
 http://scopeblog.stanford.edu/2012/05/rewritable-digital-storage-in-dna/
 http://med.stanford.edu/ism/2012/may/endy.html?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+NewsFromStanfordsSchoolOfMedicine+%28News+from+Stanford%27s+School+of+Medicine%29