De acordo com as estimativas atuais, a quantidade de dados produzidos por humanos e ma¡quinas estãoaumentando a uma taxa exponencial, com o universo digital dobrando de tamanho a cada dois anos. Muito provavelmente, os sistemas magnanãticos e a³pticos de armazenamento de dados a  nossa disposição não sera£o mais capazes de arquivar esse volume crescente de 1s e 0s digitais em algum momento. Além disso, eles não podem armazenar dados com segurança por mais de um século sem degradar.  

Uma solução para esse problema pendente de armazenamento de dados global poderia ser o desenvolvimento do DNA - o pra³prio sistema de armazenamento de informações da vida - em um meio de armazenamento de dados digital. 

Os pesquisadores já estãocodificando informações complexas que consistem em ca³digo digital no ca³digo de quatro letras do DNA composto por suas bases de nucleota­deos A, T, G e C. O DNA éum meio de armazenamento ideal porque éesta¡vel por centenas ou milhares de anos, tem uma densidade de informação extraordina¡ria e sua informação pode ser lida (decodificada) com eficiência com técnicas de sequenciamento avana§adas que estãocontinuamente ficando mais baratas.

O que fica para trás éa capacidade de escrever (codificar) informações no DNA. A sa­ntese programada de sequaªncias sintanãticas de DNA ainda érealizada principalmente com um procedimento qua­mico de décadas, conhecido como “manãtodo da fosforamidita”, que envolve várias etapas que, embora possam ser multiplexadas, são podem gerar sequaªncias de DNA com atécerca de 200 nucleota­deos de comprimento e comete erros ocasionais. Ele também produz subprodutos ambientalmente ta³xicos que não são compata­veis com uma "tecnologia de armazenamento de dados limpa".

Anteriormente, a equipe de George Church no Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard e na Escola de Medicina de Harvard (HMS) desenvolveu a primeira abordagem de armazenamento de DNA que usa uma enzima biológica sintetizadora de DNA conhecida como Desoxinucleotidil Transferase Terminal (TdT), que, em princa­pio, pode sintetizar sequaªncias de DNA muito mais longas com menos erros. Agora, os pesquisadores aplicaram técnicas fotolitogra¡ficas da indústria de chips de computador a  sa­ntese enzima¡tica de DNA e, assim, desenvolveram um novo manãtodo para multiplexar a capacidade superior de escrita de DNA do TdT. Em seu estudo publicado na Nature Communications, eles demonstraram a sa­ntese paralela de 12 fitas de DNA com sequaªncias variadas em umasuperfÍcie de matriz de 1,2 mila­metros quadrados. 

“Defendemos e buscamos intensamente o uso de DNA como meio de arquivamento de dados raramente acessado, mas com capacidade e estabilidade muito altas. Avana§os feitos por nose por outros permitiram um aumento exponencial na quantidade de dados digitais criptografados em DNA ”, disse o autor para correspondaªncia Church. “Este estudo e outros avanços na sa­ntese enzima¡tica de DNA va£o empurrar o envelope de escrita de DNA muito mais longe e mais rápido do que as abordagens químicas.” 

Church éum membro do corpo docente do Wyss Institute e lider de sua área de enfoque de biologia sintanãtica, com armazenamento de dados de DNA como uma de suas áreas de desenvolvimento de tecnologia. Ele também éprofessor de genanãtica no HMS e professor de Ciências da Saúde e Tecnologia em Harvard e MIT.  

Enquanto a primeira estratanãgia do grupo usando a enzima TdT como uma ferramenta eficaz para a sa­ntese de DNA e armazenamento digital de dados controlou a atividade da enzima TdT com uma segunda enzima, eles mostram em seu novo estudo que a TdT pode ser controlada pelos fa³tons de alta energia que a luz UV écomposto de. Um altonívelde controle éessencial, pois a enzima TdT precisa ser instrua­da a adicionar apenas um aºnico bloco ou um pequeno bloco feito de uma das quatro bases de nucleota­deos A, T, G, C a  fita de DNA em crescimento com alta precisão em cada ciclo do processo de sa­ntese de DNA.  

Usando um codec especial , um manãtodo computacional que codifica informações digitais em ca³digo de DNA e as decodifica novamente, que a equipe de Church desenvolveu em seu estudo anterior, os pesquisadores codificaram as duas primeiras medidas da partitura “Overworld Theme” do Nintendo Entertainment System 1985 (NES) videogame Super Mario Brothers dentro de 12 fitas de DNA sintanãtico. Eles geraram essas fitas em uma matriz de matriz com umasuperfÍcie medindo apenas 1,2 mila­metros quadrados, estendendo sequaªncias curtas de "primer" de DNA, que foram estendidas em um padrão3 a— 4, usando sua abordagem fotolitogra¡fica. 

“Aplicamos a mesma abordagem fotolitogra¡fica usada pela indústria de chips de computador para fabricar chips com circuitos elanãtricos padronizados com precisão nanomanãtrica para escrever DNA”, disse o primeiro autor Howon Lee, um pa³s-doutorado no grupo de Church na anãpoca do estudo. “Isso fornece sa­ntese enzima¡tica de DNA com o potencial de multiplexação sem precedentes na produção de fitas de DNA que codificam dados”.

A fotolitografia, como a fotografia, usa a luz para transferir imagens para um substrato para induzir uma mudança química. A indústria de chips de computador miniaturizou esse processo e usa sila­cio em vez de filme como substrato. A equipe de Church agora adaptou os recursos da indústria de chips em sua nova abordagem de escrita de DNA, substituindo o sila­cio por sua matriz de array consistindo de células microflua­dicas contendo as sequaªncias curtas de DNA primer.

 Para controlar a sa­ntese de DNA em primers posicionados no padrão3 a— 4, a equipe direcionou um feixe de luz ultravioleta sobre uma ma¡scara dina¢mica (como éfeito na fabricação de chips de computador) - que éessencialmente um estaªncil do padrão3 a— 4 em que a sa­ntese de DNA éativada - e encolhe o feixe padronizado do outro lado da ma¡scara com lentes a³pticas atéo tamanho da matriz da matriz.

 “A luz ultravioleta refletida do padrãode ma¡scara atinge precisamente a área alvo de alongamento do primer e libera a­ons de cobalto, que a enzima TdT precisa para funcionar, degradando uma molanãcula" enjaulada "sensa­vel a  luz que protege os a­ons de TdT ”, Disse o co-autor Daniel Wiegand, cientista pesquisador do Wyss Institute. “No momento em que a luz ultravioleta édesligada e a enzima TdT desativada novamente com o excesso de moléculas de enjaulamento, ela adicionou uma única base de nucleota­deo ou um bloco de homopola­mero de uma das quatro bases de nucleota­deo a s sequaªncias de primer em crescimento.”

Este ciclo pode ser repetido várias vezes, em que em cada rodada apenas uma das quatro bases de nucleota­deo ou um homopola­mero de uma base de nucleota­deo especa­fica éadicionado a  matriz da matriz. Além disso, ao cobrir seletivamente aberturas especa­ficas da ma¡scara durante cada ciclo, a enzima TdT apenas adiciona aquela base de nucleota­deo especa­fica aos primers de DNA onde éativada por luz ultravioleta, permitindo que os pesquisadores programem totalmente a sequaªncia de nucleota­deos em cada um dos vertentes.

"A sa­ntese enzima¡tica multiplexada dirigida por fa³tons nesta plataforma recentemente instrumentada pode ser desenvolvida para permitir uma multiplexação automatizada muito maior com enzimas TdT aprimoradas e, eventualmente, tornar o armazenamento de dados baseado em DNA significativamente mais eficaz, mais rápido e mais barato", disse co- autor correspondente Richie Kohman, um cientista de pesquisa saªnior lider na área de enfoque de Biologia Sintanãtica de Wyss, que ajudou a coordenar a pesquisa na equipe de Church no Instituto Wyss.

“Esta nova abordagem para a sa­ntese de DNA sintanãtico dirigida por enzimas pela equipe da Igreja éuma pea§a inteligente de engenharia bioinspirada que combina o poder da replicação do DNA com um dos manãtodos de fabricação mais controla¡veis ​​e robustos desenvolvidos pela humanidade - fotolitografia - para fornecer uma solução que nos aproxima do objetivo de estabelecer o DNA como um meio de armazenamento de dados utiliza¡vel ”, disse o diretor fundador do Wyss Institute, Don Ingber, que também éprofessor de Biologia Vascular Judah Folkman na Harvard Medical School e do Boston Children's Hospital, e professor de Bioengenharia em a Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS). 

Outros autores do estudo são membros adicionais da equipe da Igreja, incluindo Kettner Griswold e Sukunya Punthambaker, bem como Honggu Chun, Professor de Engenharia Biomédica na Universidade da Coreia. Este trabalho foi financiado pelo Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia.