Data opslaan in DNA-bolletjes
Bas Bögels verdedigde op 21 februari zijn proefschrift bij de faculteit Biomedical Engineering
Geen enen en nullen om je gegevens te bewaren, maar met A, T, C en G - de bouwstenen van DNA. Als het aan TU/e-onderzoeker Bas Bögels en zijn collega’s ligt, gebruiken we op korte termijn een nieuwe methode om data langdurig op te slaan. Hij ontwikkelde gekleurde microbolletjes – proteinosomen – om DNA-bestanden afzonderlijk te kunnen verpakken en optimaliseerde het uitleessysteem zodat opgeslagen data met zeer hoge nauwkeurigheid kan worden teruggehaald.
Onze maatschappij digitaliseert in rap tempo. We streamen en swipen heel wat af en zijn steeds drukker met onze socials. Het wereldwijde dataverkeer is de afgelopen jaren dan ook sterk gestegen, mede door video streaming, het Internet of Things en AI-toepassingen.
De milieu-impact van ons toenemende internetverkeer is groot. Want bij dat snelle streamen en swipen gebruik je elke keer een enorme hoeveelheid data, die ligt opgeslagen op 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.
Geheugen van het leven
De afgelopen jaren is er aan de TU/e hard gewerkt aan een nieuwe, duurzame methode om data op te slaan. In oktober stond promovendus Bas Bögels daarom op de Dutch Design Week. Met een sinaasappel, een groot fossiel en een spaarvarken mocht hij Koningin Máxima deze nieuwe vorm van data-opslag uitleggen.
“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.”
“En waar een usb-stick of een harde schijf slechts enkele jaren meegaan, is DNA superstabiel als het koel en droog bewaard wordt. In fossielen van miljoenen jaren geleden kan je nog stukken DNA uitlezen. Dit ‘geheugen van het leven’ kan er voor zorgen dat datacentra mogelijk overbodig gaan worden, een besparing op meerdere fronten.”
Fluorescerende barcode
In een letterlijk labbuisje zullen we onze opgeslagen data overigens niet zo snel terugzien, legt Bögels uit. “Water en licht zijn grote vijanden voor de stabiliteit van DNA. We zijn daarom op zoek gegaan naar een manier om DNA tegen invloeden van buitenaf te beschermen.”
In de onderzoeksgroep van hoogleraar Tom de Greef werkte Bögels in samenwerking met Microsoft aan handelbare microdeeltjes. Waar hij in zijn vrije tijd graag al klimmend en hardlopend zijn grenzen verlegt, kon hij nu ook in zijn promotieonderzoek een flinke uitdaging aangaan.
Met succes. De bolletjes van Bögels 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. En dat is heel handig, benadrukt hij.
“Op deze manier kunnen we kleine stukjes DNA laten binden, maar ook een magnetisch deeltje erin plaatsen, zodat we de bolletjes met een magneet kunnen scheiden. Of een fluorescerend label, wat het ene bolletje van het andere kan onderscheiden. Zo kunnen we elk proteinosoom – met elk een ander bestand – een eigen barcode meegeven om het eenvoudig terug te kunnen vinden.”
Foutloos
De buitenlaag van het data-bolletje is 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 we makkelijk moleculen aan het bolletje toevoegen, zoals een stukje DNA.”
“Bij een hogere temperatuur wordt het bolletje waterafstotend en ontstaat er een afgesloten ruimte. Een mini-lab, waarin je in elk bolletje afzonderlijk het desbetreffende stukje DNA miljoenen keren kunt laten kopiëren met een specifieke methode, een PCR-reactie.”
“We zien dat je zo meerdere bestanden tegelijk kunt uitlezen, zonder de vele fouten in het kopieerproces die optreden als de DNA-stukken gezamenlijk worden vermenigvuldigd. Om het opgeslagen DNA zo ver mogelijk van water te houden kunnen de deeltjes gevriesdroogd worden, waarbij we al het water eraan onttrekken. Dat zorgt voor een zeer stabiele opslag, volgens berekeningen zelfs duizenden jaren.”
Snellere kankerdiagnose
Vooralsnog zijn alle ogen dus gericht op een nieuwe manier van data opslaan. En dat kan dankzij de DNA-bollen nu snel gaan; Tom de Greef schatte eerder dat binnen 5-10 jaar het eerste DNA-datacentrum geopend kan worden. 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 microbolletjes ook gecontroleerd signalen naar cellen kunnen sturen.”
Daar wil hij in een postdoc-project bij de TU in München verder aan werken. Maar eerst wacht zijn promotie. De koninklijke goedkeuring is al binnen, knipoogt Bögels - even terugdenkend aan zijn speciale toehoorder op de Dutch Design Week-, nu zijn bul nog.
Titel van Bas Bögels's proefschrift: Exploring Compartmentalization for DNA Nanotechnology
Begeleiders: Tom de Greef en Maarten Merkx
Het laatste nieuws
