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La ricerca rivela il potenziale dei sistemi di struttura dei dati basati sul DNA

La ricerca dell’Università di Newcastle fornisce importanti spunti su come trasformare il DNA in una struttura dati rispettosa dell’ambiente che organizza i dati come i computer tradizionali.

Il team, guidato da ricercatori della School of Computing dell’Università di Newcastle, ha creato nuove strutture dati dinamiche del DNA in grado di memorizzare e recuperare informazioni in modo ordinato dalle molecole di DNA. Hanno anche analizzato come queste strutture potrebbero interagire con i circuiti di calcolo del DNA esterni.

Pubblicando le loro scoperte sulla rivista Nature Communications, gli scienziati presentano un’implementazione in vitro di una struttura di dati stack utilizzando la DNA polimerasi. Sviluppato come sistema di reazione chimica del DNA, il sistema stack è in grado di registrare combinazioni di due diversi segnali di DNA (0 e 1), modificare i segnali in soluzione in ordine inverso e quindi registrare nuovamente.

Lo stack, che è una struttura di dati lineare che segue un ordine particolare in cui vengono eseguite le operazioni, memorizza e recupera informazioni (filamenti del segnale del DNA) in un ordine immesso per ultimo costruendo e troncando “polimeri” di DNA dai singoli filamenti di ssDNA . Questa struttura di dati stack può eventualmente essere incorporata in un contesto in vivo di conservazione dell’mRNA e inversione dell’ordine temporale della risposta traduzionale, tra le altre applicazioni.

Il professor Natalio Krasnogor, della Newcastle University School of Computing, che ha guidato lo studio, spiega: “La nostra civiltà è affamata di dati e tutto ciò che serve per l’elaborazione delle informazioni è avere un forte impatto ambientale. Ad esempio, le tecnologie digitali inquinano più dell’aviazione industria, dove utilizza i migliori 7.000 centri I dati nel mondo sono circa il 2% dell’elettricità globale e tutti abbiamo sentito parlare dell’impronta ecologica di alcune criptovalute.

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“Negli ultimi anni, il DNA ha dimostrato di essere un eccellente substrato per l’archiviazione dei dati e il DNA è una risorsa rinnovabile e sostenibile. A Newcastle, siamo appassionati di sostenibilità e quindi volevamo iniziare a fare piccoli passi nell’elaborazione delle informazioni molecolari verdi in base alla progettazione nel DNA e andare oltre la semplice memorizzazione dei dati. “Volevamo essere in grado di organizzarlo. Nell’informatica, le strutture di dati sono al centro di tutti gli algoritmi che gestiscono la nostra economia moderna; questo perché è necessario un modo per avere un modo unificato e unificato di lavorare sui dati memorizzati.Questo è ciò che le strutture dati consentono. Siamo i primi a dimostrare la realizzazione molecolare di questo La componente critica dell’era dell’informazione moderna.

La coautrice dello studio, la dott.ssa Annunziata Lupiccolo, Research Associate presso il Center for Synthetic Biology and Bioeconomics della Newcastle University, ha aggiunto: “Se iniziamo a pensare all’archiviazione dei dati, le nostre menti visualizzano immediatamente chip elettronici, unità USB e molte altre tecnologie che Ma negli ultimi anni, i biologi hanno sfidato il settore dei supporti di memorizzazione dei dati dimostrando che la natura del DNA, in quanto supporto altamente stabile e flessibile, può funzionare come un archivio di dati quaternario, piuttosto che binario. una struttura dati lineare e strutturata. Il nostro lavoro amplia le conoscenze nel contesto dell’elaborazione delle informazioni su scala nanometrica.

Il coautore dello studio, il dott. Harold Fellerman, docente presso la Newcastle University School of Computing, ha aggiunto: “La nostra struttura di dati biomolecolari, in cui dati e processi sono rappresentati da brevi frammenti di DNA, è stata progettata pensando alle applicazioni biologiche. In linea di principio, possiamo immaginate un dispositivo del genere da utilizzare all’interno di una cellula vivente, batteri per esempio.Questo permette di portare potenza computazionale a campi che sono attualmente difficili da raggiungere utilizzando il tradizionale calcolo elettronico a base di silicio.In futuro, tali strutture di dati potrebbero essere utilizzate nel monitoraggio ambientale, nel biorisanamento, nella produzione verde e persino nella nanomedicina personalizzata”.

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Il coautore dello studio, il dott. Benjamin Shirt-Edis, ricercatore associato, Newcastle University School of Computing, ha dichiarato: “È stato davvero emozionante sviluppare un modello computazionale della chimica del DNA e vedere un buon accordo con i risultati sperimentali usciti dal laboratorio. modello computazionale ci ha permesso di affrontare le prestazioni di una struttura dati.Lo stack del DNA: possiamo esplorare sistematicamente i suoi limiti assoluti e suggerire strade future per il miglioramento.

Il sistema sperimentale dello stack del DNA costituisce la prova del principio secondo cui la chimica della DNA polimerasi può essere utilizzata come struttura dati dinamica per memorizzare due tipi di segnali del DNA in ordine ultimo, primo in ordine. Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche per determinare il modo migliore per archiviare e accedere ai dati basati sul DNA, lo studio evidenzia l’enorme potenziale di questa tecnologia e come può aiutare a soddisfare i requisiti di dati in rapida crescita.

Riferimento:

  1. Annunziata Lupiccolo, Ben Chert Ides, Emanuela Torelli, Abimbola Viesara Adedeje Ollolana, Matteo Castronovo, Harold Fellerman, Natalio Krasnogor. Una struttura dati stack last-in, first-out, first-out implementata nel DNA. Comunicazioni sulla natura, 2021; 12 (1) due: 10.1038 / s41467-021-25023-6

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Orsina Fiorentini
Orsina Fiorentini
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