Tecnologia Científica

A síntese enzimática de DNA vê a luz
A síntese enzimática de DNA enxerga a luz com métodos da indústria de chips de computador facilita a gravação e o armazenamento de dados digitais no DNA
Por Benjamin Boettner - 20/10/2020


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De acordo com as estimativas atuais, a quantidade de dados produzidos por humanos e máquinas está aumentando a uma taxa exponencial, com o universo digital dobrando de tamanho a cada dois anos. Muito provavelmente, os sistemas magnéticos e ópticos de armazenamento de dados à nossa disposição não serão 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 próprio sistema de armazenamento de informações da vida - em um meio de armazenamento de dados digital. 

Os pesquisadores já estão codificando informações complexas que consistem em código digital no código de quatro letras do DNA composto por suas bases de nucleotídeos A, T, G e C. O DNA é um meio de armazenamento ideal porque é estável por centenas ou milhares de anos, tem uma densidade de informação extraordinária e sua informação pode ser lida (decodificada) com eficiência com técnicas de sequenciamento avançadas que estão continuamente ficando mais baratas.

O que fica para trás é a capacidade de escrever (codificar) informações no DNA. A síntese programada de sequências sintéticas de DNA ainda é realizada principalmente com um procedimento químico de décadas, conhecido como “método da fosforamidita”, que envolve várias etapas que, embora possam ser multiplexadas, só podem gerar sequências de DNA com até cerca de 200 nucleotídeos de comprimento e comete erros ocasionais. Ele também produz subprodutos ambientalmente tóxicos que não são compatíveis 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 princípio, pode sintetizar sequências de DNA muito mais longas com menos erros. Agora, os pesquisadores aplicaram técnicas fotolitográficas da indústria de chips de computador à síntese enzimática de DNA e, assim, desenvolveram um novo método para multiplexar a capacidade superior de escrita de DNA do TdT. Em seu estudo publicado na Nature Communications, eles demonstraram a síntese paralela de 12 fitas de DNA com sequências variadas em uma superfície de matriz de 1,2 milímetros quadrados. 

“Defendemos e buscamos intensamente o uso de DNA como meio de arquivamento de dados raramente acessado, mas com capacidade e estabilidade muito altas. Avanços feitos por nós e por outros permitiram um aumento exponencial na quantidade de dados digitais criptografados em DNA ”, disse o autor para correspondência Church. “Este estudo e outros avanços na síntese enzimática de DNA vão empurrar o envelope de escrita de DNA muito mais longe e mais rápido do que as abordagens químicas.” 

Church é um membro do corpo docente do Wyss Institute e líder de sua área de enfoque de biologia sintética, com armazenamento de dados de DNA como uma de suas áreas de desenvolvimento de tecnologia. Ele também é professor de genética no HMS e professor de Ciências da Saúde e Tecnologia em Harvard e MIT.  

Enquanto a primeira estratégia do grupo usando a enzima TdT como uma ferramenta eficaz para a síntese 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 fótons de alta energia que a luz UV é composto de. Um alto nível de controle é essencial, pois a enzima TdT precisa ser instruída a adicionar apenas um único bloco ou um pequeno bloco feito de uma das quatro bases de nucleotídeos A, T, G, C à fita de DNA em crescimento com alta precisão em cada ciclo do processo de síntese de DNA.  

Usando um codec especial , um método computacional que codifica informações digitais em código 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 sintético. Eles geraram essas fitas em uma matriz de matriz com uma superfície medindo apenas 1,2 milímetros quadrados, estendendo sequências curtas de "primer" de DNA, que foram estendidas em um padrão 3 × 4, usando sua abordagem fotolitográfica. 

“Aplicamos a mesma abordagem fotolitográfica usada pela indústria de chips de computador para fabricar chips com circuitos elétricos padronizados com precisão nanométrica para escrever DNA”, disse o primeiro autor Howon Lee, um pós-doutorado no grupo de Church na época do estudo. “Isso fornece síntese enzimática 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 silício 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 silício por sua matriz de array consistindo de células microfluídicas contendo as sequências curtas de DNA primer.

 Para controlar a síntese de DNA em primers posicionados no padrão 3 × 4, a equipe direcionou um feixe de luz ultravioleta sobre uma máscara dinâmica (como é feito na fabricação de chips de computador) - que é essencialmente um estêncil do padrão 3 × 4 em que a síntese de DNA é ativada - e encolhe o feixe padronizado do outro lado da máscara com lentes ópticas até o tamanho da matriz da matriz.

 “A luz ultravioleta refletida do padrão de máscara atinge precisamente a área alvo de alongamento do primer e libera íons de cobalto, que a enzima TdT precisa para funcionar, degradando uma molécula" enjaulada "sensível à luz que protege os íons de TdT ”, Disse o co-autor Daniel Wiegand, cientista pesquisador do Wyss Institute. “No momento em que a luz ultravioleta é desligada e a enzima TdT desativada novamente com o excesso de moléculas de enjaulamento, ela adicionou uma única base de nucleotídeo ou um bloco de homopolímero de uma das quatro bases de nucleotídeo às sequências de primer em crescimento.”

Este ciclo pode ser repetido várias vezes, em que em cada rodada apenas uma das quatro bases de nucleotídeo ou um homopolímero de uma base de nucleotídeo específica é adicionado à matriz da matriz. Além disso, ao cobrir seletivamente aberturas específicas da máscara durante cada ciclo, a enzima TdT apenas adiciona aquela base de nucleotídeo específica aos primers de DNA onde é ativada por luz ultravioleta, permitindo que os pesquisadores programem totalmente a sequência de nucleotídeos em cada um dos vertentes.

"A síntese enzimática multiplexada dirigida por fótons 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 sênior líder na área de enfoque de Biologia Sintética de Wyss, que ajudou a coordenar a pesquisa na equipe de Church no Instituto Wyss.

“Esta nova abordagem para a síntese de DNA sintético dirigida por enzimas pela equipe da Igreja é uma peça inteligente de engenharia bioinspirada que combina o poder da replicação do DNA com um dos métodos de fabricação mais controláveis ​​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 utilizável ”, disse o diretor fundador do Wyss Institute, Don Ingber, que também é professor 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.

 

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