«Печатный станок» ДНК может быстро хранить горы данных

Фото из открытых источников

Изобретение печатного станка и подвижного шрифта — металлических букв, которые можно было расставлять и покрывать чернилами — привело к эпохе Возрождения и взрыву информации, который продолжается и по сей день. Теперь исследователи сообщают о применении концепции подвижного шрифта на молекулярном уровне для значительного ускорения возможности кодирования данных в цепях ДНК, невероятно плотной среде для хранения информации. Хотя пока что он был продемонстрирован только в лабораторных условиях, новый подход, о котором сообщается в Nature, может дать толчок развитию новой индустрии хранения данных ДНК, сделав экономически эффективным архивирование важной информации на десятилетия и дольше, говорят независимые исследователи.

«Это действительно хорошее доказательство концепции и значительное улучшение по сравнению с предыдущими подходами к хранению данных ДНК», — говорит Кунь Чжан, эксперт по геномике в Altos Labs. «Оно обходит барьер хранения данных ДНК, требующий синтеза ДНК с нуля», — добавляет Джефф Нивала, биофизик из Вашингтонского университета.

Привлекательность хранения данных ДНК огромна: один грамм ДНК может хранить до 215 петабайт данных, что достаточно для хранения 10 миллионов часов видео высокой четкости. При такой скорости несколько пикапов ДНК могли бы хранить все данные, которые когда-либо записало человечество. И в отличие от обычных электронных жестких дисков, которые деградируют за годы или десятилетия, ДНК может храниться тысячелетия.

Более того, считывание данных, закодированных в четырехбуквенном алфавите ДНК, в наши дни является простым и относительно быстрым с помощью машин для секвенирования ДНК. Проблема заключается в записи данных, которая обычно требует синтеза пользовательских цепочек ДНК по одной букве за раз. Сегодняшние самые быстрые ДНК-писатели могут синтезировать около 320 миллионов байт данных ДНК в день. При такой скорости запись одного грамма ДНК заняла бы почти 2 миллиона лет. «Это недоступно по сравнению с жесткими дисками, потому что скорость записи довольно низкая», — говорит Лун Цянь, вычислительный биолог из Пекинского университета.

Чтобы ускорить процесс, Цянь и ее коллеги черпали вдохновение в подвижном шрифте, изначально изобретенном в Китае около 1040 г. н. э., примерно за 400 лет до печатного станка Иоганна Гутенберга, с использованием фарфора вместо металла. В качестве «бумаги» они синтезировали длинные стандартизированные шаблонные фрагменты одноцепочечной ДНК. Для «шрифта» они синтезировали сотни коротких одноцепочечных «кирпичей» ДНК, каждый длиной 24 основания, с последовательностью, предназначенной для связывания с определенным участком вдоль шаблона ДНК.

Затем исследователи обратились к естественному процессу в клетках, называемому метилированием, чтобы закодировать кирпичики цифрами 0 или 1. В организме клетки присоединяют метильные группы — один атом углерода и три атома водорода — к определенным последовательностям ДНК, чтобы сигнализировать, какие гены должны быть экспрессированы или подавлены в различных тканях.

Для хранения ДНК Цянь и ее коллеги добавили фермент, который прикреплял метильные группы к некоторым кирпичикам ДНК (единицам) и оставлял другие (нули). Подобно наборщикам эпохи Возрождения, они затем выбирали кирпичики, которые соответствовали шаблону с правильными единицами и нулями, чтобы закодировать любой цифровой файл, который они хотели. Помещенные в раствор, кирпичики быстро находили и соединялись с соответствующими им последовательностями на шаблоне.

Наконец, исследователи должны были «нанести чернила» на шрифт и печать на бумагу. Они добавили фермент, известный как метилтрансфераза, который копировал все метильные группы на кирпичах в соседнее место на шаблонной нити, которую затем можно было считать с помощью коммерческого аппарата для секвенирования ДНК. Они продемонстрировали запись и чтение файлов, содержащих почти 270 000 бит, что достаточно для кодирования изображений с высоким разрешением, таких как тигр и большая панда.

Цянь говорит, что стоимость записи данных с помощью этого подхода на данный момент составляет около $0,003 за бит. Хотя это выше, чем то, что компании по синтезу ДНК берут за запись каждой новой буквы ДНК, Цянь считает, что коммерциализированная операция снизит затраты, используя меньше реагентов, чем ее лаборатория.

Но Цянь говорит, что исследование уже демонстрирует ускорение записи данных в ДНК. Цянь оценивает, что коммерческая версия нового подхода может достичь скорости до 2 терабайт в день, что в 6000 раз больше, чем у лучших современных коммерческих синтезаторов ДНК. Цянь и ее коллеги теперь ищут возможность украсить шаблоны ДНК другими химическими маркерами, помимо метильных групп, чтобы кодировать еще больше данных на нить и еще больше ускорить процесс. В случае успеха подвижный шрифт может стать не только одним из прорывов древности, но и прорывом будущего.