در مقاله اخیر منتشر شده در ارتباطات طبیعت*محققان تکنیکی را برای ثبت الگوهای نور دو بعدی (2 بعدی) در اسید دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA) و استفاده از توالی یابی نسل بعدی با توان بالا برای بازیابی تصاویر ضبط شده توصیف کردند.
مطالعه: یک دوربین بیولوژیکی که تصاویر را مستقیماً در DNA ثبت و ذخیره می کند. اعتبار تصویر: BillionPhotos/Shutterstock.com
زمینه
DNA یک ماده زیستی اصلی است که اساس حیات بیولوژیکی روی زمین را تشکیل می دهد. به دلیل طول عمر فوق العاده، چگالی و کاربرد آن در تحقیقات، به طور گسترده به عنوان وسیله ای برای ذخیره داده های دیجیتال مورد بررسی قرار گرفته است.
با افزایش یکپارچه شدن رابط های دیجیتال و بیولوژیکی، علاقه به استفاده از مواد بیولوژیکی برای ذخیره داده های دیجیتال افزایش یافته است.
فراوانی DNA در داخل سلول های زنده به عنوان یک منبع DNA احتمالی در نظر گرفته شده است که سیستم های بیولوژیکی و ابزارهای زیست شناسی مولکولی می توانند از آن برای رمزگذاری DNA با داده ها استفاده کنند.
رویکرد با بالاترین پتانسیل شامل ذخیره سازی اطلاعات در توالی های DNA خاص تولید شده توسط سنتز DNA de novo است. با این وجود، کمبود تکنیک هایی وجود دارد که می تواند از ضرورت سنتز DNA de novo جلوگیری کند، که اغلب گران و ناکارآمد است.
در مورد مطالعه
در مطالعه حاضر، محققان رویکردی را توضیح دادند که امکان گرفتن مستقیم داده‌های مکانی و ورودی سیگنال را با عبور نور دو بعدی در داخل DNA برای ذخیره داده‌های دیجیتال مانند تصاویر در DNA فراهم می‌کرد.
این به دلیل ویژگی‌های سودمند نور است، مانند سریع، ارزان، بسیار قابل برنامه‌ریزی، به راحتی چندگانه‌سازی و موازی‌پذیری انبوه، با کار یا هزینه کمی که برای گسترش یا تولید الگوهای با پیچیدگی بالاتر لازم است.
این تیم از یک سیستم recombinase واکنشگر با نور آبی استفاده کردند که به عدم وجود یا حضور نور آبی به عنوان یک سیگنال خارجی واکنش نشان می‌دهد و سپس آن پاسخ را در DNA با ویرایش خاص DNA ثبت می‌کند و به طور موثر تصویر گرفته شده را دیجیتالی می‌کند و امکان دکانولوشن را به دنبال توالی DNA می‌دهد. بازیابی از طریق توالی یابی
علاوه بر این، نویسندگان رویکرد توسعه‌یافته را با ایجاد دسترسی تصادفی و چندگانه‌سازی مشخص کردند و از روش‌های تخصیص مجدد و تشخیص نقاط پرت همراه با الگوریتم‌های خوشه‌بندی بدون نظارت از زمینه یادگیری ماشین برای بازسازی دقیق اطلاعات ذخیره‌شده استفاده کردند.
آنها سیستم نور آبی را با یک سیستم نور قرمز متعامد ترکیب کردند تا رمزگذاری همزمان دو تصویر را امکان‌پذیر کند، تراکم و مقیاس‌پذیری رویکرد را افزایش داده و با بهره‌برداری از ویژگی‌های چندگانه نور، گرفتن تصاویر چند رنگ را تسهیل می‌کند.
بنابراین، تیم طرحی را برای یکپارچه‌سازی رابط‌های دیجیتال و بیولوژیکی با استفاده از سیستم‌های بیولوژیکی، رویکردهای زیست‌شناسی مولکولی، روش‌های بارکدینگ و اپتوژنتیک ارائه کردند.
نتایج
در مقاله حاضر، نویسندگان یک رویکرد جدید برای ضبط مستقیم تصویر بر روی DNA پیشنهاد و توصیف کردند که با توسعه یک دوربین دیجیتال به نام BacCam قابل مقایسه است.
آنها نشان دادند که این رویکرد به پنج تصویر 96 بیتی با اندازه ترکیبی 60 بایت با استفاده از یک طول موج نور تک رنگ (آبی) گسترش می یابد و محدودیت های مقیاس نظری این سیستم احتمالاً به بیش از 100 تصویر 96 بیتی در یک ناهمگن منفرد گسترش می یابد. استخر.
علاوه بر این، تیم توانایی BacCam را برای دسترسی تصادفی به هر تصویر، حتی از غلظتی که 50000 برابر کمتر از غلظت اصلی است، و دقت بازیابی اطلاعات از استخرهای عملیات حرارتی، رقیق شده، خشک شده و در معرض اشعه ماوراء بنفش را نشان داد. .
آنها رویه‌های محاسباتی را به کار گرفتند که داده‌های رمزگذاری‌شده را از هم پیچیده‌تر می‌کند و خطاها را به روشی قابل اعتماد تصحیح می‌کند.
محققان طول موج دوم نور را به این جریان کار اضافه کردند تا آن را فراتر از قابلیت های یک طول موج تک نور گسترش دهند، و میزان اطلاعاتی را که می توان در یک ضبط همزمان ثبت کرد و ویژگی های چندگانه سازی سیستم را به نمایش گذاشت، افزایش داد.
این رویکرد محدودیت های میدان را به خارج از سنتز DNA و عملیات توالی یابی موجود بیشتر می کند.
علاوه بر این، از آنجایی که هر بیت به طور همزمان در BacCam کدگذاری می شود، فرآیند نوشتن به صورت موازی انجام می شود. در نتیجه تأخیر نوشتن به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.
نتیجه گیری
به طور کلی، کار حاضر رویکردی برای گرفتن الگوهای نور دوبعدی در DNA با استفاده از مدارهای اپتوژنتیک برای ثبت قرار گرفتن در معرض نور در DNA، بارکد برای نشان دادن مکان‌های فضایی، و بازیابی تصاویر ضبط‌شده با استفاده از توالی‌یابی نسل بعدی با کارایی بالا، ترسیم کرد.
این مطالعه بازیابی انتخابی تصویر، استحکام در برابر گرما، خشک کردن، و UV، و رمزگذاری تصویر چندگانه به DNA، شامل 1152 بیت را نشان می‌دهد.
علاوه بر این، محققان نشان می‌دهند که طول‌موج‌های مختلف نور را می‌توان به طور موفقیت‌آمیز مالتی پلکس کرد تا با استفاده از نور آبی و قرمز، دو تصویر مجزا را به طور همزمان ثبت کرد.
بنابراین، این کار یک دوربین دیجیتال زنده ساخت و امکان ادغام دستگاه های دیجیتال و سیستم های بیولوژیکی را افزایش داد.