Data veilig en droog opslaan in DNA-bolletjes

29 februari 2024
DNA-bolletjes
Innovatie
Nieuws

De afgelopen jaren is er aan de TU/e hard gewerkt aan een nieuwe, duurzame methode om data op te slaan, zoals in de nu ontwikkelde DNA-bolletjes. In oktober mocht promovendus Bas Bögels op de Dutch Design Week onder anderen aan Koningin Máxima de nieuwe vorm van dataopslag uitleggen. Hij deed dat aan de hand van een sinaasappel, een groot fossiel en een spaarvarken.

“En dat zijn meteen alle voordelen symbolisch op een rij” vertelt Bögels. “Data kan veel compacter worden opgeslagen. 1 gram DNA kan in theorie 17 exabyte (1018 bytes, red.) aan data opslaan; in een sinaasappel zou je dan al het dataverkeer van een datacentrum kunnen omvatten.” Het fossiel stond symbool voor een plaats waarvan je stukken DNA van miljoenen jaren geleden kunt uitlezen. Dit in tegenstelling tot een USB-stick of een harde schijf die maar enkele jaren meegaan. De nieuwe vinding kan ervoor zorgen dat grote datacentra overbodig gaan worden en het een besparing op meerdere vlakken kan zijn.

Datagebruik belast milieu

Wereldwijd is het dataverkeer de afgelopen jaren sterk gestegen. Denk maar eens aan het gebruik van video streaming en van AI-toepassingen. De maatschappij digitaliseert in rap tempo. Maar het toenemend internetverkeer brengt ook met zich mee dat het milieu meer wordt belast. Want bij dat snelle streamen en swipen gebruik je elke keer veel data die liggen opgeslagen servers in een datacentrum. Om de servers te laten draaien én om ze te koelen is een aanzienlijke hoeveelheid energie nodig. En dat veroorzaakt ondertussen wereldwijd gezien al een grotere CO2-uitstoot dan de gehele luchtvaart.

DNA-bolletjes van eiwitten

Tijdens het onderzoek zijn de wetenschappers op zoek gegaan naar een manier om DNA tegen invloeden van buitenaf te beschermen. De DNA-bolletjes bestaan uit eiwitten en polymeren die aan elkaar vastzitten en via een zeepachtig proces kleine bolletjes kunnen vormen. Bögels liet in zijn experimenten zien dat je aan de binnenkant van deze bolletjes allerhande ‘plak-moleculen’ kunt bevestigen.

Op deze manier konden ze kleine stukjes DNA laten binden, maar ook een magnetisch deeltje erin plaatsen, zodat ze de bolletjes met een magneet kunnen scheiden. Of voorzien van een fluorescerend label, dat het ene bolletje van het andere kan onderscheiden. Zo konden de wetenschappers elk proteinosoom – met elk een ander bestand – een eigen barcode meegeven om het eenvoudig te kunnen terugvinden in de DNA-bolletjes.

Kopieerproces

De buitenlaag van de DNA-bolletjes zijn gevoelig voor temperatuur, legt Bögels uit. En dat maakte het uitlezen van de data veel nauwkeuriger, een bottleneck van de huidige foutgevoelige methode. Op kamertemperatuur kunnen makkelijk moleculen aan het bolletje worden toegevoegd, zoals een stukje DNA. Bij een hogere temperatuur worden de bolletjes waterafstotend en ontstaat er een afgesloten ruimte.

Eigenlijk een soort mini-lab, waarin je in elk bolletje afzonderlijk het desbetreffende stukje DNA miljoenen keren kunt laten kopiëren met een specifieke methode. Op die manier kunnen meerdere bestanden tegelijk worden uitgelezen zonder dat er veel fouten in het kopieerproces optreden. Om het opgeslagen DNA zo ver mogelijk van water te houden kunnen de deeltjes worden gevriesdroogd. Daarbij wordt al het water onttrokken en kan het DNA duizenden jaren stabiel worden opgeslagen.

Snellere kankerdiagnose

Vooralsnog zijn alle ogen gericht op een nieuwe manier van data opslaan. Naar schatting worden binnen vijf tot tien jaar het eerste DNA-datacentrum geopend. Naast het opslaan van data is het microbolletje multifunctioneel inzetbaar, benadrukt Bögels. “We hebben op labschaal gekeken of we ons platform ook kunnen gebruiken als diagnostische tool, om bijvoorbeeld bepaalde biomarkers in het bloed op te sporen. Dat zou het vaststellen van bepaalde kankersoorten kunnen versnellen. En we onderzoeken nu of we met de DNA-bolletjes ook gecontroleerd signalen naar cellen kunnen sturen.”

Dankzij DNA-onderzoek is het steeds vaker mogelijk om sneller en exactere diagnoses te doen. Zo kunnen patiënten met hematologische aandoeningen (bloedziekten zoals acute leukemie of multipel myeloom) in het HagaZiekenhuis voor bijna alle onderzoeken en behandelingen terecht. Sinds enige tijd onderzoekt het ziekenhuis zelf het DNA in het bloed en beenmerg terwijl patiënten voorheen daarvoor naar academische ziekenhuizen moesten reizen.