Жесткие диски и оптические приводы сохраняют гигабитные цифровые данные одним нажатием кнопки.
Но эти технологии, как и предшествовавшие им магнитные ленты и дисководы для гибких дисков, могут стать устаревшими и нечитаемыми, когда их вытеснят новые технологии. Теперь исследователи придумали способ электронной записи данных в ДНК живых бактерий, вариант хранения вряд ли в ближайшее время устареет.
«Это действительно хороший шаг», который в один прекрасный день может стимулировать коммерческое развитие, — говорит Сет Шипман, биоинженер из Института Гладстона и Калифорнийского университета в Сан-Франциско, который не принимал участия в новой работе. Однако он отмечает, что до реальных приложений еще далеко.
ДНК привлекательна для хранения данных по нескольким причинам. Во-первых, он более чем в 1000 раз плотнее самых компактных жестких дисков, что позволяет хранить эквивалент 10 полноразмерных цифровых фильмов в объеме, равном крупице скепсиса. А поскольку ДНК занимает центральное место в биологии, ожидается, что технологии ее чтения и записи со временем станут дешевле и мощнее.
Хранение данных в ДНК — идея не новая. Для этого исследователи обычно преобразуют последовательность цифровых единиц и нулей файла данных в комбинации четырех оснований молекулы: аденина, гуанина, цитозина и тимина. Затем они используют синтезатор ДНК, чтобы записать этот код в ДНК. Но точность синтеза ДНК снижается с увеличением длины кода, поэтому исследователи обычно разбивают свой файл на части и записывают их в фрагменты ДНК длиной от 200 до 300 оснований. Каждому фрагменту присваивается индекс для определения его местоположения в файле, а затем секвенсоры ДНК читают фрагменты для повторной сборки файла. Но технология дорогая: синтез 1 мегабита информации стоит до 3500 долларов. А сосуды с ДНК, в которых хранится информация, могут со временем разрушиться.
Чтобы создать долговечную, более простую для кодирования среду, исследователи сейчас работают над записью данных в ДНК живых организмов, которые копируют и передают свои гены следующему поколению. В 2017 году команда под руководством Харриса Ванга, системного биолога из Колумбийского университета, использовала систему редактирования генов CRISPR для распознавания биологического сигнала, такого как присутствие сахарной фруктозы. Когда исследователи добавили фруктозу в клетки Escherichia coli , экспрессия генов увеличилась в кусочках кольцеобразной ДНК, называемых плазмидами.
Затем компоненты CRISPR, которые эволюционировали для защиты бактерий от вирусных захватчиков, разрезали сверхэкспрессирующую плазмиду на части и поместили некоторые из них в определенный участок ДНК бактерий, который «помнит» предыдущих вирусных захватчиков. Вставленный генетический бит представляет собой цифровой бит. Если сигнал фруктозы отсутствовал, бактерии вместо этого хранили случайный бит ДНК, представляющий цифровой ноль. Затем секвенирование ДНК E. coli показало, подвергались ли бактерии воздействию фруктозы, через единицу или ноль.
Но поскольку эта установка могла хранить только пару битов данных, Ван и его коллеги заменили систему распознавания фруктозы на систему, способную кодировать более длинные строки информации: электронный ввод. Они вставили серию генов в E. coli, которые позволили клеткам увеличивать экспрессию плазмиды в ответ на электрическое напряжение. Как и в случае с фруктозой, увеличение экспрессии привело к тому, что цифровая экспрессия сохранялась в ДНК бактерий. Чтобы считать единицы и нули, исследователи просто секвенировали бактерии.
Используя этот подход, Ван и его коллеги электрически закодировали до 72 бит данных , чтобы написать сообщение «Hello world!» они сообщают сегодня в Nature Chemical Biology . Они также показали, что могут добавить E. coli со своим сообщением к смеси нормальных почвенных микробов, а затем упорядочить смесь, чтобы восстановить сохраненное сообщение.
Ван говорит, что хранение данных в живых организмах еще только начинается. «Мы не собираемся конкурировать с существующими системами хранения памяти», — говорит он. Исследователям также необходимо будет найти способы, чтобы их сообщения не ухудшались, поскольку бактерии мутируют по мере их размножения. Но, по крайней мере, на данный момент, это может дать Джеймсу Бонду новый инструмент для сокрытия сообщений на виду.