ДНК известна как основная среда для хранения геномной информации. Однако ДНК также можно использовать для хранения (бинарных) данных — технологии будущего, которая до сих пор рассматривалась в фундаментальных исследованиях в Европе. Микробиологические процессы из природы переносятся в искусственные системы данных. Запись ДНК на микрочипы по-прежнему является серьезной проблемой, но также и огромной возможностью. Таким образом, информация может храниться непосредственно на микрочипе с очень высокой плотностью благодаря особому трехмерному расположению пар оснований с цифровым управлением.

Таким образом, проект BIOSYNTH объединяет ноу-хау четырех институтов Фраунгофера с целью значительного улучшения синтеза ДНК. Это делается с помощью универсальной платформы микрочипов для записи ДНК/РНК/пептидов. Предыдущие подходы к синтезу (включая струйную печать) не очень эффективны при создании длинных сегментов ДНК. Они также порождают многочисленные неточности, исправление которых требует много времени и средств. Кроме того, соответствующее устройство технологии крупногабаритно и дорого.

«Поэтому проект BIOSYNTH стремится заложить технологические, биологические и информационные основы для хранения данных о биологических массах с чрезвычайно высокой плотностью хранения и устойчивостью к старению», — объясняет доктор. Уве Фогель, лидер консорциума Fraunhofer FEP.

Массовая память на основе ДНК, РНК или пептидов

В проекте должна быть представлена ​​платформа, основанная на традиционных технологиях производства микрочипов для записи программно определяемых последовательностей нуклеотидов (ДНК, РНК или пептидов). В будущем это позволит осуществлять высокопараллельное и высокопроизводительное производство устройств хранения больших объемов данных за счет дублирования в процессах массового производства в микроэлектронной промышленности. В микроплатформе, разработанной и изготовленной с использованием методов микроэлектроники, реакционные ячейки, миниатюризированные до уровня микрометра, с реакционными объемами в диапазоне пиколитров для бесклеточного синтеза, должны быть интегрированы в свободно программируемую компоновку активной матрицы. Транспортировка, иммобилизация, активация и мониторинг условий процесса и результатов будут осуществляться с использованием подходящих термических и фотонных компонентов, а также функционализации поверхности для каждой реакционной ячейки.

Институты Фраунгофера объединяют свой опыт

Fraunhofer FEP разрабатывает интегральную схему объединительной платы CMOS для управления и считывания микронагревателей для биосинтеза, OLED и фотодетекторных пикселей в составе активной матрицы и соответствующую тестовую установку.

Задачей IPMS Фраунгофера является разработка «термо» уровня для платформы микрочипов. Функцию нагрева для задания температуры биологического синтеза выполняют конструкции в поверхностной микромеханике на основе технологии емкостных микромеханических ультразвуковых преобразователей (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers — CMUT). Кроме того, Fraunhofer IPMS вносит свой вклад в моделирование тепловых функций. Затем задача проекта состоит в том, чтобы внедрить технологию MEMS, в которую можно интегрировать органические компоненты (органические светоизлучающие и фотодиоды) из Fraunhofer FEP для контроля процесса синтеза.

Впоследствии коллеги из Fraunhofer IZI-BB в Потсдаме реализуют процесс синтеза с помощью платформы микрочипа. ITEM Фраунгофера имеет дело с соответствующими процессами кодирования в биологических компонентах.

Проект сопровождает группа известных консультантов из бизнеса, науки и пользователей, а также эксперты из Марбургского университета, XFAB, Infineon, Федерального архива и Hybrotec. Первые результаты впервые будут представлены публике на пользовательском семинаре в конце 2023 года. Если вы заинтересованы в участии, пожалуйста, свяжитесь с Dr. Уве Фогель из Fraunhofer FEP, чтобы мы могли учесть это в программе.