ДНК-хранилище нового поколения
Генетический код в миллионы раз эффективнее для хранения данных, чем существующие решения, которые являются дорогостоящими, энергозатратными и требуют много пространства. При этом все цифровые данные на планете можно уместить в нескольких десятках килограммов ДНК.
Использование ДНК в качестве носителя данных высокой плотности могло бы привести к прорывам в технологии биосенсоров и биорегистрации и хранению цифровых данных нового поколения. Однако составная архитектура современных методов записи на основе ДНК делает их по своей сути медленными и неспособными регистрировать колебания сигналов с субчасовыми частотами.
В новом исследовании группа из Северо-Западного университета предложила метод записи информации в ДНК, для завершения которого требуются минуты, а не часы или дни. Авторы использовали новую ферментативную систему для синтеза ДНК, которая записывает быстро воспроизводящиеся сигналы из окружающей среды непосредственно в последовательности ДНК. Этот метод в случае успеха может изменить подход, с помощью которого ученые изучают и регистрируют деятельность нейронов головного мозга.
Создание ДНК с нуля ex vivo (вне тела) включает в себя очень медленный химический синтез, который не позволяет масштабировать метод для широкого применения. Новая разработка для записи информации намного дешевле и быстрее, потому что позволяет напрямую манипулировать ферментом, который синтезирует ДНК. В отличие от существующих внутриклеточных методов записи, которые еще медленнее, потому что они требуют механических этапов экспрессии белка в ответ на сигналы, новый способ позволяет заранее экспрессировать необходимые ферменты.
В обход экспрессии белка
Существующие методы внутриклеточной записи молекулярных и цифровых данных в ДНК основаны на составных процессах, при которых новые данные добавляются к существующим последовательностям ДНК. Чтобы выполнить точную запись, исследователи должны стимулировать и подавлять экспрессию специфических белков, что может занять более 10 часов.
Авторы предположили, что синтез совершенно новой ДНК вместо копирования ее шаблона сделает процесс записи быстрее и с более высоким разрешением. Они разработали упрощенную систему, использующую один фермент – терминальную дезоксинуклеотидилтрансферазу (ТдТ) – для передачи сигналов окружающей среды в ДНК. ТдТ добавляет нуклеотиды к концам одноцепочечной ДНК независимым от шаблона способом, выбирая основания в соответствии с условиями окружающей среды. Этот метод чувствительной ко времени нешаблонной записи с использованием ТдТ для локальных сигналов окружающей среды (Time-sensitive Untemplated Recording using Tdt for Local Environmental Signals, TURTLES) записал данные в генетический код в течение минут, а не часов. Изменения окружающей среды включают повышение уровней металлов или других молекул, они фиксируются ТдТ. Полученная синтетическая ДНК представляет собой молекулярную бегущую строку, указывающую ученым время и характер изменений в окружающей среде.
Использование TURTLES внутри клеток даст исследователям возможность использовать записанную ДНК, чтобы узнать, например, о том, как клетки мозга взаимодействуют друг с другом, чтобы детально изучить недоступные в настоящее время механизмы.
Вне тела система TURTLES может быть использована для различных решений, направленных на удовлетворение растущей потребности в хранении данных (до 175 зеттабайт к 2025 году).
Это особенно важно для приложений с архивными данными, таких, например, как записи с камер видеонаблюдения, которые должны долго храниться и быть доступны в случае возникновения инцидента. С помощью технологии, разработанной инженерами, жесткие диски и дисководы, на которых записаны годы памяти, также могут быть заменены фрагментами синтетической ДНК. Кроме того, технология TURTLES может использоваться для мониторинга уровней загрязняющих веществ в окружающей среде.
Геномная инфраструктура и клеточные методы, необходимые для надежной внутриклеточной записи, все еще дорабатываются, и данное исследование – очередной шаг на пути к достижению долгосрочной цели.
Статья N.Bhan et al. Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis опубликована в Journal of the American Chemical Society.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Northwestern University: Our DNA is becoming the world’s tiniest hard drive.