ทีมงานที่นำโดยนักวิจัยจาก School of Computing ของ Newcastle University ได้สร้างโครงสร้างข้อมูล DNA แบบไดนามิกใหม่ที่สามารถจัดเก็บและเรียกคืนข้อมูลด้วยวิธีที่เป็นระเบียบจากโมเลกุลของ DNA พวกเขายังวิเคราะห์ว่าโครงสร้างเหล่านี้สามารถเชื่อมต่อกับวงจรการคำนวณกรดนิวคลีอิกภายนอกได้อย่างไร

นักวิทยาศาสตร์ได้เผยแพร่ผลการวิจัยของพวกเขาในวารสารNature Communications ได้นำเสนอการนำโครงสร้างข้อมูลสแต็กไปใช้ในหลอดทดลองโดยใช้ DNA polymers ระบบสแต็กที่พัฒนาขึ้นเป็นระบบปฏิกิริยาเคมีของ DNA สามารถบันทึกการรวมสัญญาณดีเอ็นเอที่แตกต่างกันสองสัญญาณ (0 วินาทีและ 1 วินาที) ปล่อยสัญญาณลงในสารละลายในลำดับที่กลับกัน จากนั้นจึงบันทึกใหม่

สแต็ก ซึ่งเป็นโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้นซึ่งเป็นไปตามลำดับเฉพาะในการดำเนินการ จัดเก็บและดึงข้อมูล (สายสัญญาณ DNA) ตามลำดับเข้าก่อนออกก่อน โดยการสร้างและตัด DNA "โพลิเมอร์" ของ ssDNA เดี่ยว เส้น โครงสร้างข้อมูลสแต็กดังกล่าวในที่สุดอาจฝังอยู่ในบริบทภายในร่างกายเพื่อจัดเก็บ RNA ของผู้ส่งสารและย้อนลำดับเวลาของการตอบสนองการแปล ท่ามกลางแอปพลิเคชันอื่นๆ

ศาสตราจารย์นาตาลิโอ คราสโนกอร์ จาก School of Computing แห่งมหาวิทยาลัยนิวคาสเซิล ซึ่งเป็นผู้นำการศึกษานี้อธิบายว่า "อารยธรรมของเราเป็นที่ต้องการของข้อมูล และความกระหายในการประมวลผลข้อมูลทั้งหมดมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างรุนแรง ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีดิจิทัลก่อให้เกิดมลพิษมากกว่าอุตสาหกรรมการบิน ศูนย์ข้อมูล 7000 แห่งทั่วโลกใช้ไฟฟ้าประมาณ 2% ทั่วโลก และเราได้ยินเกี่ยวกับผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมของสกุลเงินดิจิทัลบางสกุล

"ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา DNA ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นสารตั้งต้นที่ยอดเยี่ยมในการจัดเก็บข้อมูล และ DNA เป็นทรัพยากรหมุนเวียนที่ยั่งยืน ที่นิวคาสเซิล เราหลงใหลเกี่ยวกับความยั่งยืน ดังนั้นเราจึงต้องการเริ่มนำขั้นตอนเล็กๆ น้อยๆ ไปสู่ข้อมูลโมเลกุลที่ออกแบบให้เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม การประมวลผลใน DNA และมากกว่าแค่การจัดเก็บข้อมูล เราต้องการจัดระเบียบได้ ในวิทยาการคอมพิวเตอร์ โครงสร้างข้อมูลเป็นแกนหลักของอัลกอริธึมทั้งหมดที่ขับเคลื่อนเศรษฐกิจยุคใหม่ของเรา นี่เป็นเพราะคุณต้องการวิธีการ วิธีการทำงานบนข้อมูลที่จัดเก็บเป็นหนึ่งเดียวและเป็นมาตรฐาน นี่คือสิ่งที่โครงสร้างข้อมูลเปิดใช้งาน เราเป็นคนแรกที่แสดงให้เห็นถึงการตระหนักรู้ในระดับโมเลกุลขององค์ประกอบที่สำคัญนี้ในยุคข้อมูลข่าวสารสมัยใหม่"

ผู้ร่วมวิจัย ดร. Annunziata Lopiccolo ผู้ร่วมวิจัยที่ศูนย์ชีววิทยาสังเคราะห์และเศรษฐศาสตร์ชีวภาพของมหาวิทยาลัยนิวคาสเซิล กล่าวเสริมว่า "ถ้าเราเริ่มคิดเกี่ยวกับการจัดเก็บข้อมูล ทันทีที่จิตใจของเราจะนึกภาพไมโครชิปอิเล็กทรอนิกส์ ไดรฟ์ USB และเทคโนโลยีที่มีอยู่อื่น ๆ อีกมากมาย แต่กว่า ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานักชีววิทยาได้ท้าทายภาคสื่อการจัดเก็บข้อมูลโดยแสดงให้เห็นว่าธรรมชาติของ DNA เป็นสื่อที่มีความเสถียรสูงและมีความยืดหยุ่นสูงสามารถทำหน้าที่เป็นที่เก็บข้อมูลแบบสี่ส่วนแทนที่จะเป็นไบนารี ในงานของเรา เราต้องการที่จะแสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ที่จะใช้ รหัสควอเทอร์นารีเพื่อสร้างอินพุตและเอาต์พุตที่อ่านได้ภายใต้รูปแบบของสัญญาณที่ตั้งโปรแกรมได้โดยมีโครงสร้างข้อมูลเชิงเส้นและเป็นระเบียบ งานของเราเพิ่มพูนความรู้ในบริบทของการประมวลผลข้อมูลในระดับนาโน"

ดร.ฮาโรลด์ เฟลเลอร์มานน์ ผู้ร่วมวิจัยด้านการศึกษา วิทยากรจากโรงเรียนคอมพิวเตอร์แห่งมหาวิทยาลัยนิวคาสเซิล กล่าวเสริมว่า "โครงสร้างข้อมูลชีวโมเลกุลของเรา ซึ่งทั้งข้อมูลและการดำเนินงานแสดงด้วยดีเอ็นเอสั้น ๆ ได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงการใช้งานทางชีววิทยา โดยหลักการแล้ว เราสามารถจินตนาการถึงอุปกรณ์ดังกล่าวที่จะใช้ภายในเซลล์ที่มีชีวิต เช่น แบคทีเรีย เป็นต้น ทำให้สามารถนำพลังการคำนวณมาสู่โดเมนที่ปัจจุบันเข้าถึงได้ยากด้วยการคำนวณทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิคอนแบบเดิม ในอนาคต โครงสร้างข้อมูลดังกล่าว อาจถูกนำไปใช้ในการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม การบำบัดทางชีวภาพ การผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และแม้กระทั่งยานาโนที่ปรับให้เหมาะกับแต่ละบุคคล"

ผู้ร่วมวิจัย Dr Benjamin Shirt-Ediss ผู้ร่วมวิจัยของ Newcastle University School of Computing กล่าวว่า "เป็นเรื่องที่น่าสนใจจริงๆ ที่จะพัฒนาแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ของเคมีดีเอ็นเอ และเห็นข้อตกลงที่ดีกับผลการทดลองที่ออกมาจากห้องแล็บ โมเดลการคำนวณช่วยให้เราจัดการกับประสิทธิภาพของโครงสร้างข้อมูลสแต็ก DNA ได้จริง เราสามารถสำรวจขีดจำกัดที่แน่นอนของระบบและแนะนำแนวทางในการปรับปรุงในอนาคตได้"

ระบบสแต็กดีเอ็นเอในการทดลองถือเป็นการพิสูจน์หลักการที่ว่าเคมีดีเอ็นเอโพลีเมอร์สามารถใช้เป็นโครงสร้างข้อมูลแบบไดนามิกเพื่อจัดเก็บสัญญาณดีเอ็นเอสองประเภทในลำดับเข้าก่อนออกก่อน ในขณะที่จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อกำหนดวิธีที่ดีที่สุดในการเก็บถาวรและเข้าถึงข้อมูลบน DNA การศึกษาเน้นถึงศักยภาพมหาศาลของเทคโนโลยีนี้ และวิธีที่เทคโนโลยีนี้จะช่วยจัดการกับความต้องการข้อมูลที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว