DNA als digitales Speichermedium; Sequenzen aus Sicherheitsgründen algorithmisch vermieden (oder sollten)?

Ja, es könnte Sequenzen geben, die ein DNA-basiertes System nicht/sehr gut speichern könnte: repetitive DNA-Sequenzen.

Solche Sequenzen bereiten nicht nur beim Sequenzieren ('Lesen von Daten') viele Probleme , sondern sie neigen auch eher dazu, sekundäre Strukturelemente wie Schleifen zu bilden, da repetitive DNA auf verschiedene Arten an sich selbst binden kann. Dies bedeutet, dass sie ähnlich wie natürlich vorkommende Wiederholungen während der DNA-Amplifikation wahrscheinlicher mutieren (die Anzahl der „Kopien“ kann sich ziemlich leicht ändern), was die „Daten“ instabiler macht.

Ein möglicher Weg, dieses Problem zu lösen, wäre die Verwendung spezialisierter Datenformate, die so viel Wiederholung von Daten wie möglich vermeiden (ähnlich wie Zip- oder JPG-Dateien funktionieren).

Ansonsten stimme ich Nathan zu, dass DNA an sich nicht gefährlich ist (da sie außerhalb von Zellen nichts bewirkt und die in der Molekularbiologie verwendeten Bakterien im Allgemeinen harmlos sind, es sei denn, Sie beginnen, sie in großen Mengen zu essen oder sie anderweitig in Ihren Körper zu bringen ). Die Möglichkeit, dass die DNA irgendwie toxische Proteine ​​codieren könnte, ist sehr, sehr gering, und Sie könnten einfach überprüfen, ob die „Daten“ in der DNA sowieso nicht zufällig ein Protein bilden.

Auch wenn DNA-Laufwerke (um es einmal zu nennen) von IT-Profis statt von ausgebildeten Biologen gehandhabt werden, können wir immer noch erwarten, dass die Umgebung sauber genug ist, dass kein Organismus davon beeinträchtigt wird. Wie @nathan in der anderen Antwort betont, kann freie DNA auch nichts alleine tun. Es ist wie ein offenes Buch, aus dem man nichts herausholen kann, wenn man kein Lesegerät (Protein) dafür hat. Es gab keine Berichte, in denen behauptet wurde, dass fremde DNA (bei Menschen zellfreie DNA oder cf-DNA genannt) jemals gesundheitliche Probleme verursacht hätte. Tatsächlich gibt es keine Berichte darüber, dass cf-DNA auch nur von Menschen transkribiert wird. Vielleicht möchten Sie auch einen Blick darauf werfen , um mehr zu erfahren. Wie jedoch @AlanBoyd in Kommentaren darauf hingewiesen hat, können Organismen, die im Menschen leben, dies tunnehmen frei schwebende DNA aus ihrer Umgebung auf. Beispielsweise wurde von Stingl et al ., 2009 gezeigt , dass Heliobacter pylori freie DNA aus seiner Umgebung aufnimmt. In Anbetracht dessen besteht die Möglichkeit, dass DNA-Laufwerke schädlich sein könnten (wenn das Laufwerk zufällig einige Gene enthält, die dem Erreger eine gewisse Antibiotikaresistenz verleihen könnten). Einige Mikroben zeigen ein Phänomen, das als natürliche Kompetenz bekannt istdh sie nehmen einfach Plasmid-DNA aus ihrer Umgebung auf, zerlegen sie durch Restriktionsenzyme und fügen sie ihrem Genom hinzu. Diese Organismen, die im Allgemeinen Geschlechtspillen zur Aufnahme von DNA besitzen, können eine große Bedrohung für die Verwendung von DNA-Laufwerken darstellen, wenn die Benutzer von DNA-Laufwerken bei der Handhabung und Pflege von DNA nachlässig sind, da ein Teil dieser DNA ihnen Antibiotikaresistenz oder -fähigkeit verleihen könnte Menschen zu infizieren. Wir können dies jedoch verhindern, indem wir sicherstellen, dass es keine Erkennungsstellen für Restriktionsenzyme in der DNA des Laufwerks gibt, sodass der Organismus die DNA nicht für die Ligation in sein eigenes Genom schneiden kann.

Ich würde aus zwei Gründen nein sagen.

Erstens kenne ich keine DNA-Sequenzen, die an sich infektiös sind. Man braucht die richtige Zellmaschinerie, um etwas aus ihnen zu machen. Wenn ich mich nicht irre, haben sogar die meisten Prokaryoten unterschiedliche Abwehrmechanismen gegen zufällige DNA-Stücke, die in ihre Systeme eingebaut werden. Sonst hätten sie nie stabile Kerne. Viren und Bakterien usw. müssen Strategien anwenden, um diese Abwehrsysteme zu umgehen.

Der zweite Grund, auch wenn ich mich beim ersten täusche, ist, dass dieses System so konzipiert sein muss, dass es möglichst frei von äußeren Einflüssen ist. Ein System zur Minimierung externer Beeinflussung minimiert zumindest in diesem Fall zwangsläufig auch die Beeinflussung nach außen.

Dies würde nicht von IT-Leuten gehandhabt werden, es sei denn, es wäre irgendwie massiv automatisiert. Wieder keine Ahnung von der endgültigen Form, also schwer zu sagen.

Ich frage mich, ob es Sequenzen gibt, die wahrscheinlich aus Sicherheitsgründen als Standardverfahren algorithmisch vermieden werden (oder sollten), wenn DNA als digitales Speichermedium verwendet wird.

Ich denke nicht, dass die Sequenzen selbst das Problem sind, sondern das Verfahren, mit dem sie in Bakterien zur Datenspeicherung integriert werden, was meines Erachtens kein direktes Risiko für den Menschen darstellt.

In der Abhandlung von Shipman-Church werden Videorahmendaten in Stücke codiert, die 27 Basen lang sind, unterbrochen durch kurze PAM-Abstandshalter und Strichcodes, um bei der Resequenzierung (für zeitgesteuertes Datenauslesen) zu helfen.

Die größeren 35-Basen-Oligonukleotide werden den Wirtsbakterien durch Elektroporation verabreicht – wodurch die Zellen effektiv geschockt werden, wodurch die Zellmembran geöffnet wird, damit die Oligonukleotide in das vorhandene Cas1/Cas2-System der Bakterien eindringen und sich in das Genom integrieren können.

Elektroporation kann verwendet werden, um Oligos in vitro in menschliche Zellkulturen zu bringen, aber typischerweise nicht in lebende Menschen. Laborsicherheits- und Kontaminationsprotokolle werden verwendet, um den Kontakt mit Reagenzien zu verhindern und das Risiko eines Stromschlags zu begrenzen.

Trotzdem würde es nicht ausreichen, die Leute zu schockieren, da die Sequenzen selbst nicht ausreichen, um das Risiko darzustellen. Die Bemühungen um die CRISPR-Bearbeitung menschlicher Gene in vivo konzentrieren sich typischerweise auf das Cas9-System. Menschliche Zellen exprimieren Cas9 nicht, so dass bakterielles Protein zusammen mit der Zielsequenz abgegeben werden müsste, was Abgabetechniken verwenden würde, die in diesem Artikel nicht verwendet werden (z. B. Injektion oder Abgabe auf Lipidbasis).

Es muss möglicherweise sogar so erfolgen, dass die Immunität gegen das Cas9-Protein umgangen wird, oder es muss auf Stammzellen oder eine andere zellspezifische Population gerichtet werden, um eine gewünschte Wirkung zu erzielen.

Eine 27-Basen-Sequenz könnte theoretisch auf Gene abzielen, die für die Gesundheit entscheidend sind – beispielsweise die Deletion oder Insertion einer 27-Basen-Sequenz innerhalb eines Onkogens oder Tumorsuppressorgens, das beispielsweise mit der CRISPR-Cas9-Plattform bereitgestellt wird. Aber um dies zu verwalten, benötigen Sie ein völlig anderes Protokoll als das, was das Shipman-Church-Papier beschreibt, damit dieses Speichermedium beginnt, die Möglichkeit eines Sicherheitsrisikos für Menschen zu schaffen.

Um zum (bezahlten) Goldman-Birney-Papier zu gehen, speichern sie ihre Daten nicht in Bakterien, sondern synthetisieren einfach DNA-Oligonukleotid-Strings und speichern sie effektiv in Fettklumpen (buchstäblich). Wenn sie Daten abrufen möchten, führen sie eine Shotgun-Sequenzierung mit hoher Abdeckung durch, um die ursprüngliche Sequenz wiederherzustellen.

Daher besteht kein wirkliches Risiko der Inkorporation in menschliche Zellen, abgesehen von der Mikroinjektion, und daher kein wirkliches direktes Risiko, dass Teilsequenzen transkribiert und in pathogene Proteine ​​oder Viruspartikel usw. übersetzt werden.

Während die Sequenzdaten selbst Krankheitserreger enthalten könnten, müsste Ihr IT-Kollege seine eigenen Proteinmaschinen und -protokolle mitbringen, damit etwas Schändliches passieren kann. Die Sequenzierung wird durchgeführt, um den Datenabruf zu beeinflussen, nicht die Transkription/Übersetzung, und die Sequenzierung aktiviert keinen Code in der zugrunde liegenden Sequenz.