Американські вчені використали технологію редагування геному CRISPR для кодування та зберігання бінарної інформації в ДНК живого організму. Науковці вважають, що це наближає нас до розроблення нових середовищ для довгострокового зберігання даних. Дослідження опубліковане в журналі Nature Chemical Biology.
iLexx / iStockphoto
Як можна зберігати дані в ДНК?
Ідея зберігати інформацію у вигляді ДНК є не новою, хоча й доволі привабливою. Через свою компактність ДНК дає змогу зберігати величезну кількість даних на носії крихітного розміру. Приміром, 10 повнометражних цифрових фільмів можна закодувати на об’ємі генетичного матеріалу величиною всього в кристалик солі. Для цього науковці конвертують інформацію у вигляді одиниць та нулів, в яких комп’ютер зберігає її, у комбінації з чотирьох основ, що складають генетичний код: аденін, гуанін, цитозин, тимін. Тоді можна синтезувати відповідну ДНК. Але це надто коштовна процедура, щоб вона набула масовості. До того ж така ДНК з часом руйнується, разом із закодованою інформацією. Вчені з Колумбійського університету знайшли спосіб обійти це обмеження: вони вирішили кодувати дані безпосередньо в живому організмі.
Чим такий варіант кращий?
Як носія інформації науковці розглянули одноклітинних мікроорганізмів — кишкову паличку Escherichia coli. Закодовані в її ДНК дані будуть зберігатися набагато довше, ніж окрема молекула, оскільки при розмноженні необхідна інформація буде передаватися наступним поколінням. Крім цього, бактерії є доволі живучими та легко адаптуються до мінливого середовища, тож ДНК буде додатково захищена власне клітиною та її внутрішніми захисними механізмами.
Як це здійснили?
За допомогою методу геномного редагування CRISPR вчені змусили клітину реагувати на певний біологічний сигнал, наприклад, присутність цукру фруктози. Так, якщо фруктозу додавали до культури E. coli, це спричиняло зростання експресії певних генів плазміди бактерій. Власний захисний механізм CRISPR бактерії згодом розрізає плазміду, що надмірно експресує, та вбудовує її частинку у ділянку бактеріальної ДНК, що покликана “запам’ятовувати” вірусних збудників. Вставлений генетичний уривок відповідав цифровій одиниці. Якщо сигналу фруктози не має, то бактерії зберігали випадковий шматок ДНК, який репрезентував цифровий нуль. Згодом систему розпізнавання фруктози замінили на таку, що реагує на електричний сигнал, і це збільшило об’єм даних, що можна зберегти.
Науковці закодували таким чином 72 біти інформації у вигляді фрази “Hello world!” (“Привіт, світе!”). Для того, щоб зчитати послідовності закодованих в ДНК одиниць та нулів, вчені застосували звичайну технологію секвенування.
Технології зберігання даних в ДНК, звісно, ще далеко до того, щоб замінити сучасні цифрові методи. До того ж невідомо, наскільки добре зберігатиметься з часом внесена інформація, оскільки при розмноженні бактерій можуть відбуватися мутації, що спотворюватимуть дані.