Новая технология кодирования позволяет «распечатывать» данные и хранить их в ДНК, как в старомодном печатном станке. Система эпигенетической маркировки используется для записи данных в двоичном коде, а результаты считываются с помощью устройства секвенирования нанопор. Несмотря на кажущуюся сложность конструкции, способ не требует специальных знаний в области лабораторной техники.
Несмотря на достижения в современных технологиях хранения данных, они все еще далеки от сравнения с ДНК. Сжимая большие объемы информации в крошечный объем, кубический сантиметр ДНК может хранить эквивалент 10 эксабайт (ЭБ) данных в течение тысяч лет и даже миллионов лет при оптимальных условиях. Из-за этого огромного потенциала ДНК в настоящее время исследуется как новый носитель цифровой информации.
Современные методы включают преобразование двоичных данных в последовательности нуклеотидов (аденин, гуанин, цитозин и тимин). Запись осуществляется путем синтеза цепи ДНК с нуля, добавления нуклеотидных оснований одно за другим в заданном порядке. Однако эти методы ограничены по скорости письма и длине синтетической нити.
Чтобы преодолеть эти ограничения, были предложены альтернативные подходы, такие как параллельная запись. Однако структурная нестабильность и ограниченные возможности обработки информации препятствуют их применению. Вместо этого эпигеном может кодировать модифицируемую информацию, которая более стабильна, чем несущая ее геномная последовательность. Исследование, проведенное Пекинским университетом, предлагает технологию, основанную на древних методах печати и основанную на передаче эпигеномных сигнатур.
«Вдохновленные естественным эпигеномным наследованием и синтетической самосборкой ДНК, мы разработали нетрадиционную систему записи ДНК, которая позволяет передавать произвольную эпигенетическую информацию на основе управляемого самосборкой ферментативного метилирования ДНК (эпибиты), параллельно записывающего в шаблон ДНК », — объясняют исследователи в статье, опубликованной в журнале .
Система, вдохновленная старыми печатными станками
Технология предполагает использование избирательного метилирования (эпигенетической модификации) для кодирования двоичных данных непосредственно на уровне ДНК. Если основание метилировано, его кодируют 1, если не метилировано, его кодируют 0. Другими словами, «информацию несет не сама последовательность [ДНК], а слой метилирования», — объясняют соавторы исследования. Автор Пекинского университета Лун Цянь в журнале «Новости химии и техники.
Исследователи разработали программируемый метод самособирающегося письма, аналогичный подвижному литеру, используемому в старых печатных станках.
Обратите внимание: Новая военная техника позволит солдатам видеть в … полной темноте.
Для печати газет их собирают по одной на большие пластины, чтобы сформировать печатаемый текст, затем на них наносят чернила, а сверху кладут бумагу. В методике, использованной в исследовании, бумага представляет собой универсальный шаблон для одной нити ДНК, а напечатанный шрифт представляет собой набор из 700 коротких нитей, называемых «кирпичиками». Каждый строительный блок состоит из 24 нуклеотидов, местом метилирования которых является цитозин.Для кодирования информации эти кубики располагаются в шаблоне ДНК в определенном порядке, причем каждый кирпичик содержит немного информации. ДНК обрабатывается метилтрансферазами (ферментами), которые распознают метилированный цитозин и импринтируют информацию о метилировании путем связывания с матрицей ДНК. Этот процесс можно сравнить с копированием цифровых данных на жесткий диск путем изменения направления намагничивания. Затем информация реконструируется с помощью секвенирования нанопор, которое позволяет напрямую считывать в реальном времени фрагменты ДНК и статус их метилирования.
Команда протестировала свою технологию печати ДНК, закодировав рисунки тигра и фотографии панды, представляющие 16 833 и 252 500 бит соответственно. Все данные были успешно распечатаны и восстановлены. В то время как предыдущие методы требовали от 4 до 20 минут для добавления нуклеотидов один за другим, этот прогресс позволяет печатать 350 бит информации одновременно, что намного быстрее, чем нынешние методы.
Доступность для неспециалистов и точность 98,58 %
чтобы оценить доступность технологии, исследователи пригласили 60 добровольцев, не имеющих опыта работы с лабораторными методами, использовать платформу резервного копирования и восстановления данных. Участникам было предложено использовать программное обеспечение под названием iDNAdrive для кодирования текста по их выбору общим объемом около 5000 бит. Хотя хранение нуклеотидов должно осуществляться на специализированных платформах синтеза и требует продвинутых лабораторных навыков, операции, необходимые для этой новой технологии, ограничиваются добавлением различных реагентов в одну пробирку. Точность печати и считывания данных составляет 98,58%.
Исследователи планируют и дальше совершенствовать технологию, сосредоточив внимание на увеличении скорости записи данных и снижении затрат. Они также надеются увеличить объем памяти, распространив эпигенетическую метку на другие нуклеотидные основания, а не только на цитозин. В конечном счете, эта технология может произвести революцию в хранении данных, особенно из-за ее экономики.
Читайте все последние новости здравоохранения и медицины на New-Science.ru Читайте все последние новости технологий на New-Science.ruБольше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Новая техника кодирования позволяет «печатать» и хранить данные на ДНК подобно старомодному печатному станку.