Использование ДНК для долгосрочного хранения информации

Наш генетический код в миллионы раз эффективнее хранит данные, чем существующие решения, которые являются дорогостоящими и требуют огромного количества энергии и пространства. Фактически, мы могли бы избавиться от жестких дисков и хранить все цифровые данные на планете в пределах пары сотен метров ДНК.

Использование ДНК в качестве носителя для хранения данных с высокой плотностью данных может стать прорывом в технологиях биодатчиков и биорекординга, а также в цифровом хранилище следующего поколения, но исследователи не смогли преодолеть неэффективность, которая позволила бы этой технологии масштабироваться.

Теперь ученыеи из Northwestern University предлагают новый метод записи информации в ДНК, для выполнения которого требуются минуты, а не часы или дни. Они использовали новую ферментную систему для синтеза ДНК, которая записывает быстро изменяющиеся сигналы окружающей среды непосредственно в последовательности ДНК. По словам старшего автора статьи, метод может изменить подход ученых к изучению и записи нейронов внутри мозга.

Старший автор статьи, профессор Кейт Э.Дж. Тё сказал, что его лаборатория заинтересована в использовании естественных способностей ДНК для создания нового решения для хранения данных.

«Природа хороша в копировании ДНК, но мы действительно хотели иметь возможность писать ДНК с нуля», — сказал Тё. «Способ ex vivo (вне тела) для этого включает медленный химический синтез. Наш метод намного дешевле для записи информации, потому что ферментом, который синтезирует ДНК, можно напрямую манипулировать. Современные внутриклеточные записи даже медленнее, потому что они требуют механических этапов экспрессии белка в ответ на сигналы, в отличие от наших ферментов, которые экспрессируются заранее и могут постоянно хранить информацию».

Обход экспрессии белка

Существующие методы записи внутриклеточных молекулярных и цифровых данных в ДНК основаны на многокомпонентных процессах, которые добавляют новые данные к существующим последовательностям ДНК. Чтобы получить точную запись, исследователи должны стимулировать и подавлять экспрессию определенных белков, что может занять более 10 часов.

Лаборатория Тё выдвинула гипотезу, что они могут использовать новый метод, который они назвали Time-sensitive Untemplated Recording using Tdt for Local Environmental Signals (чувствительной ко времени нетемплированной записью с использованием Tdt для локальных сигналов окружающей среды) или TURTLES, чтобы синтезировать совершенно новую ДНК вместо копирования ее шаблона, делая запись быстрее и с более высоким разрешением.

По мере того как ДНК-полимераза продолжает добавлять основания, данные записываются в генетический код в масштабе минут, поскольку изменения в окружающей среде влияют на состав синтезируемой ДНК. Изменения окружающей среды, такие как изменения концентрации металлов, регистрируются полимеразой, действующей как «молекулярная тикерная лента» и указывающей ученым время изменения окружающей среды.

Использование биосенсоров для регистрации изменений в ДНК представляет собой важный шаг в доказательстве жизнеспособности TURTLES для использования внутри клеток и может дать исследователям возможность использовать записанную ДНК, чтобы узнать, как нейроны общаются друг с другом.

«Это действительно захватывающее доказательство концепции методов, которые однажды позволят нам изучать взаимодействия между миллионами клеток одновременно», — сказала Намита Бхан, соавтор и научный сотрудник лаборатории Тё. «Я не думаю, что есть какая-либо система записи с прямой ферментной модуляцией, о которой ранее сообщалось».

Обладая большим потенциалом масштабируемости и точности, TURTLES может стать основой для инструментов, которые ускорят исследования мозга. По словам Алека Каллисто, аспиранта лаборатории, исследователи могут изучать только крошечную часть нейронов мозга с помощью современных технологий, и даже в этом случае существуют ограничения на то, что они делают. Поместив регистраторы во все клетки мозга, ученые могли бы отображать ответы на стимулы с разрешением одной клетки для многих (миллионов) нейронов.

Вне тела систему TURTLES также можно использовать для множества решений, направленных на удовлетворение стремительного роста потребностей в хранении данных (до 175 зеттабайт к 2025 году).

Это особенно хорошо для приложений с долгосрочным архивированием данных, таких как хранение видеозаписей системы безопасности, которые команда называет данными, которые вы «пишете один раз и никогда не читаете», но которые должны быть доступны в случае возникновения инцидента. С помощью технологий, разработанных инженерами, жесткие диски и накопители, хранящие многолетнюю память, также могут быть заменены кусочками ДНК.

Вне хранилища функция «тикерной ленты» может использоваться в качестве биосенсора для мониторинга загрязнителей окружающей среды, таких как концентрация тяжелых металлов в питьевой воде.

Исследование «Запись временных сигналов с минутным разрешением с использованием ферментативного синтеза ДНК» было опубликовано в Journal of the American Chemical Society.