Dans un article récent publié dans Communication nature*les chercheurs ont décrit une technique de capture de motifs lumineux bidimensionnels (2D) dans l’acide désoxyribonucléique (ADN) et d’utilisation du séquençage de nouvelle génération à haut débit pour récupérer les images enregistrées.
Étude: Une caméra biologique qui capture et stocke des images directement dans l’ADN. Crédit image : BillionPhotos/Shutterstock.com
Sommaire
Arrière-plan
L’ADN est un biomatériau principal qui constitue le fondement de la vie biologique sur Terre. Il a été largement étudié comme moyen de stockage de données numériques en raison de son extraordinaire longévité, de sa densité et de son applicabilité à la recherche.
Il y a un intérêt accru pour l’utilisation de matériaux biologiques pour stocker des données numériques à mesure que les interfaces numériques et biologiques deviennent plus intégrées.
L’abondance d’ADN à l’intérieur des cellules vivantes a été considérée comme une source d’ADN possible que les systèmes biologiques et les outils de biologie moléculaire peuvent utiliser pour coder l’ADN avec des données.
L’approche avec le potentiel le plus élevé implique le stockage d’informations dans des séquences d’ADN spécifiques produites par la synthèse d’ADN de novo. Néanmoins, il existe une pénurie de techniques qui pourraient éviter la nécessité d’une synthèse d’ADN de novo, qui est souvent coûteuse et inefficace.
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont expliqué une approche permettant la capture directe de données spatiales et d’entrée de signal en faisant passer de la lumière 2D à l’intérieur de l’ADN pour stocker des données numériques comme des images dans l’ADN.
Cela est dû aux caractéristiques avantageuses de la lumière, telles que rapide, peu coûteuse, hautement programmable, facilement multiplexée et massivement parallélisable, avec peu de travail ou de dépenses nécessaires pour étendre ou produire des motifs de plus grande complexité.
L’équipe a utilisé un système de recombinase réactive à la lumière bleue qui réagit à l’absence ou à la présence de lumière bleue en tant que signal externe, puis enregistre cette réponse dans l’ADN par édition spécifique au site de l’ADN, numérisant efficacement l’image capturée et permettant la déconvolution après la séquence d’ADN. récupération par séquençage.
En outre, les auteurs ont caractérisé l’approche développée en établissant un accès aléatoire et un multiplexage et ont utilisé des méthodes de réaffectation et de détection des valeurs aberrantes ainsi que des algorithmes de regroupement non supervisés du domaine de l’apprentissage automatique pour reconstruire avec précision les informations stockées.
Ils ont en outre combiné le système de lumière bleue avec un système de lumière rouge orthogonale pour permettre le codage simultané de deux images, améliorant la densité et l’évolutivité de l’approche et facilitant la capture d’images multicolores en exploitant les propriétés de multiplexage de la lumière.
Ainsi, l’équipe a présenté un schéma d’intégration des interfaces numériques et biologiques à l’aide de systèmes biologiques, d’approches de biologie moléculaire, de méthodes de codage à barres et d’optogénétique.
Résultats
Dans le document actuel, les auteurs ont proposé et décrit une nouvelle approche pour la capture d’image directe sur l’ADN, comparable au développement d’un appareil photo numérique appelé BacCam.
Ils ont montré que cette approche s’étend à cinq images 96 bits avec une taille combinée de 60 octets en utilisant une seule longueur d’onde de lumière de couleur (bleue) et que les limites théoriques de mise à l’échelle de ce système peuvent s’étendre à plus de 100 images 96 bits sur une seule image hétérogène. piscine.
De plus, l’équipe a démontré la capacité de BacCam à accéder de manière aléatoire à chaque image, même à partir d’une concentration 50 000 fois moins concentrée que la concentration d’origine, et la précision de la récupération des données à partir de piscines traitées thermiquement, diluées, séchées et exposées aux UV. .
Ils ont déployé des procédures de calcul qui déconvoluent les données codées et corrigent les erreurs de manière fiable.
Les chercheurs ont ajouté une deuxième longueur d’onde de lumière à ce flux de travail pour l’étendre au-delà des capacités d’une seule longueur d’onde de lumière, augmentant la quantité d’informations pouvant être enregistrées en une seule capture simultanée et mettant en valeur les caractéristiques de multiplexage du système.
Cette approche repousse encore les limites du domaine en dehors des opérations de synthèse et de séquençage d’ADN existantes.
De plus, étant donné que chaque bit est encodé simultanément dans BacCam, le processus d’écriture est effectué en parallèle. En conséquence, la latence d’écriture est considérablement réduite.
conclusion
Dans l’ensemble, le présent travail décrit une approche pour capturer des modèles de lumière 2D dans l’ADN en utilisant des circuits optogénétiques pour enregistrer l’exposition à la lumière dans l’ADN, le codage à barres pour représenter les emplacements spatiaux et la récupération des images enregistrées à l’aide d’un séquençage de nouvelle génération à haut débit.
L’étude montre la récupération sélective d’images, la robustesse à la chaleur, au séchage et aux UV, et l’encodage d’images multiples dans l’ADN, comprenant 1 152 bits.
De plus, les chercheurs montrent que différentes longueurs d’onde de lumière peuvent être multiplexées avec succès pour capturer deux images distinctes simultanément en utilisant la lumière bleue et rouge.
Ainsi, ce travail a construit un appareil photo numérique vivant, élargissant la possibilité d’intégrer des appareils numériques et des systèmes biologiques.
