Еще один шаг к успешному хранению данных в ДНК сделан

Молекулы ДНК хранят генетическую информацию на протяжении нескольких поколений. Суть самой идеи хранения других данных в молекулах ДНК заключается в том, чтобы создать длинные молекулы ДНК с базовыми блоками, выстроенными в определенном порядке. С помощью этого способа можно достичь высокой плотности записи данных — выше, чем на любом существующем в мире жестком диске или другом накопителе. Продолжительность хранения информации в генетическом коде — сотни и даже тысячи лет.

Ученые работают над созданием метода, которые позволил бы быстро и безопасно архивировать информацию при помощи генетического года. Группа исследователей из Кавендишской лаборатории физического факультета Кембриджского университета смогла разработать способ, который дает возможность не только хранить данные в молекулах ДНК, но и перезаписывать их. Исследование опубликовано в научном журнале Nano Letters.

В случае успеха нового метода хранение данных в генетическом кода может решить проблему информационной перегрузки

По словам одного из участников разработки, профессора Кембриджского университета Ульриха Кейзера, создание самой молекулы ДНК — это основная проблема. Синтез молекул с конкретной последовательностью базовых блоков — трудозатратный процесс, который требует много времени. К тому же для создания молекулы ДНК ученым нужны ферменты. Но новый метод упростил задачу. По словам Кейзера, процесс стал больше напоминать сборку модели из кубиков LEGO — достаточно смешать ингредиенты, нагреть их и затем охладить.

Еще один длительный и дорогой процесс — чтение данных, хранящихся в генетическом коде. Технология вычисления последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК активно развивалась, но до сих пор в ее основе — синтез многочисленных копий молекулы, чтобы усилить сигналы от белковых связей.

Более дешевый и эффективный способ секвенирования — пропускать молекулу через нанопору и вычислять последовательность в режиме реального времени по перепадам ионного тока, которые происходят при прохождении через нанопору разных пар оснований. Однако этот метод тоже требует много времени.

Новая разработка подразумевает быстрое считывание данных при помощи нанопор и запись информации посредством смешивания веществ. В основе нового метода лежит контроль отжига концов однонитевой ДНК. Порядок нуклеотидов в основной цепочке всех используемых молекул ДНК не меняется, однако происходит биотинилирование (поступление биотинилированных нуклеотидов) комплементарной нити, то есть она может содержать другие основания. При биотинилировании комплементарная нить связывается с молекулами белка стрептавидина — эту реакцию легко заметить из-за изменения ионного тока, когда ДНК проходит через нанопору. Наличие стрептавидина на любом участке ДНК считывающая программа записывает как «1», отсутствие — как «0». Таким образом, чтение информации осуществляется за миллисекунды. 

Нанопоры — мощный одномолекулярный инструмент для обнаружения наноразмерных молекул, в том числе ДНК, которые можно использовать для вычислений. Изображение: Kaikai Chen, Jinbo Zhu, Filip Bošković, Ulrich F. Keyser

Ученые работают над жесткими дисками ДНК (DNA-HD), основанными на нанотехнологиях ДНК и распознавании нанопор как перезаписываемой системы молекулярной памяти. Они позволят хранить, обрабатывать и считывать данные в изменяемой трехмерной структуре ДНК. Благодаря новому способу запись и стирание данных стали быстрее и точнее по сравнению с предыдущими системами молекулярного хранения. 

DNA-HD также обеспечивает безопасное хранение данных — информация может быть прочитана только после предоставления правильных физических молекулярных ключей. То есть нужно знание последовательности липких концов однонитиевой ДНК, чтобы понимать, какова последовательность нулей и единиц, полученных при секвенировании нанопор.

Сейчас команда исследователей работает над масштабированием этой технологии и планирует заменить стрептавидин на другие вещества — ученые хотят добиться большей эффективности разработки.