NUS CDE의 연구원들은 정보 저장의 새로운 패러다임을 여는 혁신적인 '생물학 적 카메라'를 개척합니다.

세계 최초로 ‘생물학적 카메라’는 현재 DNA 저장 방법의 제약을 우회하여 살아있는 세포와 고유의 생물학적 메커니즘을 활용하여 데이터를 인코딩하고 저장합니다. 이것은 디지털 카메라를 연상시키는 정보 저장을 위한 새로운 모델을 생성하여 DNA 내에서 직접 이미지를 인코딩하고 저장하는 데 있어 획기적인 발전을 나타냅니다.

싱가포르 국립 대학교 디자인 및 공학 대학의 수석 연구원 부교수 Chueh Loo Poh와 임상 및 기술 혁신을 위한 NUS 합성 생물학(SynCTI)이 이끄는 팀의 발견은 잠재적으로 데이터 스토리지를 뒤흔들 수 있습니다. 산업,에 게시되었습니다 네이처 커뮤니케이션즈 2023년 7월 3일.

글로벌 데이터 과부하를 해결하는 새로운 패러다임

전 세계가 전례 없는 속도로 데이터를 계속 생성함에 따라 데이터는 21세기의 ‘통화’로 간주되었습니다. 2018년에는 33ZB로 추정되며, Global Datasphere는 2025년까지 175ZB에 이를 것으로 예상됩니다. 이는 기존 데이터 스토리지의 한계를 뛰어넘고 자원 집약적인 환경 영향을 해결할 수 있는 스토리지 대안에 대한 탐구를 촉발시켰습니다. 데이터 센터.

DNA를 사용하여 이미지 및 비디오와 같은 다른 유형의 정보를 저장한다는 아이디어가 주목을 받은 것은 최근의 일입니다. 이는 DNA의 뛰어난 저장 용량, 안정성 및 정보 저장 매체로서의 오랜 관련성 때문입니다.

“우리는 임박한 데이터 과부하에 직면해 있습니다. 지구상의 모든 생명체의 핵심 생체 재료인 DNA는 다양한 생명 기능을 담당하는 일련의 단백질을 암호화하는 유전 정보를 저장합니다. 전체적으로 보면 DNA 1g은 215,000테라바이트 이상의 데이터를 저장하는 데 이는 4,500만 개의 DVD를 저장하는 것과 같습니다.”라고 Poh 교수는 말했습니다.

“DNA는 또한 현재의 분자 생물학 도구로 조작하기 쉽고 실온에서 다양한 형태로 저장할 수 있으며 내구성이 강하여 수세기 동안 지속될 수 있습니다.”라고 Poh 부교수와 함께 일하는 대학원생 Cheng Kai Lim은 말합니다.

엄청난 잠재력에도 불구하고 DNA 저장에 대한 현재 연구는 세포 외부에서 DNA 가닥을 합성하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 이 프로세스는 비용이 많이 들고 오류가 발생하기 쉬운 복잡한 도구에 의존합니다.

이 병목 현상을 극복하기 위해 Poh 교수와 그의 팀은 ‘데이터 뱅크’ 역할을 할 수 있는 풍부한 DNA를 포함하는 살아있는 세포로 전환하여 유전 물질을 외부에서 합성할 필요가 없도록 했습니다.

순전히 독창성과 영리한 엔지니어링을 통해 팀은 생물학적 구성 요소를 사용하여 디지털 카메라의 기능을 에뮬레이트하기 위해 다양한 생물학적 및 디지털 기술을 병합하는 새로운 시스템인 ‘BacCam’을 개발했습니다.

Poh 부교수는 “세포 내의 DNA를 미개발 사진 필름으로 상상해보십시오.”라고 설명했습니다. “카메라의 셔터 메커니즘과 유사한 빛으로 세포의 활동을 제어하는 ​​기술인 광유전학을 사용하여 빛 신호를 DNA ‘필름’에 각인하여 ‘이미지’를 캡처할 수 있었습니다.”

다음으로 사진 라벨링과 유사한 바코드 기술을 사용하여 연구원들은 고유한 식별을 위해 캡처된 이미지를 표시했습니다. 저장된 이미지를 구성, 정렬 및 재구성하기 위해 기계 학습 알고리즘이 사용되었습니다. 이들은 디지털 카메라의 데이터 캡처, 저장 및 검색 프로세스를 미러링하는 ‘생물학적 카메라’를 구성합니다.

이 연구는 서로 다른 조명 색상을 사용하여 동시에 여러 이미지를 캡처하고 저장하는 카메라의 기능을 보여주었습니다. 더 중요한 것은 이전의 DNA 데이터 저장 방법과 비교할 때 팀의 혁신적인 시스템이 쉽게 재현 가능하고 확장 가능하다는 것입니다.

Poh 부교수는 “DNA 데이터 저장의 경계를 확장함에 따라 생물학적 시스템과 디지털 시스템 간의 인터페이스를 연결하는 데 대한 관심이 증가하고 있습니다.”라고 말했습니다.

“우리의 방법은 생물학적 시스템을 디지털 장치와 통합하는 데 중요한 이정표를 나타냅니다. DNA 및 광유전학 회로의 힘을 활용하여 DNA 데이터 저장에 대한 비용 효율적이고 효율적인 접근 방식을 제공하는 최초의 ‘살아있는 디지털 카메라’를 만들었습니다. 우리의 작업은 DNA 데이터 저장의 추가 응용 프로그램을 탐색할 뿐만 아니라 기존 데이터 캡처 기술을 생물학적 프레임워크로 재설계합니다. 우리는 이것이 정보 기록 및 저장에서 지속적인 혁신을 위한 토대를 마련하기를 바랍니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230711133220.htm