Учёные разработали инновационный метод, который позволяет буквально «печатать» цифровую информацию на молекулах ДНК, используя принципы, схожие с работой старинных печатных станков. В основе технологии лежит система эпигенетической маркировки, которая кодирует данные в двоичном формате непосредственно в структуре ДНК. Для считывания информации применяется устройство для секвенирования нанопор. Важным преимуществом метода является его доступность — он не требует от пользователя глубоких знаний в области лабораторных технологий.
Почему ДНК — идеальный носитель информации?
Современные технологии хранения данных, такие как жёсткие диски или флеш-накопители, значительно уступают ДНК по плотности записи и долговечности. Молекула ДНК способна хранить колоссальные объёмы информации в микроскопическом пространстве. Например, всего один кубический сантиметр ДНК может вместить до 10 эксабайт данных (это примерно 10 миллиардов гигабайт) и сохранять их в целости на протяжении тысяч, а в идеальных условиях — даже миллионов лет. Именно этот феноменальный потенциал делает ДНК перспективным кандидатом на роль носителя информации будущего.
Традиционные подходы к записи данных на ДНК предполагают синтез цепочки с нуля, последовательно добавляя нуклеотиды (аденин, гуанин, цитозин, тимин) в заданном порядке, соответствующем двоичному коду. Однако у таких методов есть существенные недостатки: низкая скорость записи и ограничения на длину синтезируемой цепочки.
Эпигенетический прорыв: вдохновение древней печатью
Чтобы преодолеть эти барьеры, исследователи из Пекинского университета предложили принципиально иной подход. Вместо того чтобы изменять саму последовательность нуклеотидов (геном), они решили кодировать информацию в эпигеноме — слое химических модификаций ДНК, который регулирует активность генов. Этот слой, в частности метилирование (присоединение метильных групп к нуклеотидам), оказался более стабильным и управляемым носителем информации.
«Вдохновляясь естественными механизмами эпигенетического наследования и способностью ДНК к самосборке, мы создали нетрадиционную систему записи. Она позволяет передавать произвольную эпигенетическую информацию с помощью управляемого ферментативного метилирования, параллельно записывая данные на шаблон ДНК», — поясняют авторы исследования в журнале Nature.
Как работает «печатный станок» для ДНК?
Технология использует избирательное метилирование цитозина (одного из четырёх «букв» генетического кода) для кодирования двоичных данных. Если цитозин метилирован — это соответствует биту «1», если нет — биту «0». Таким образом, информация кодируется не последовательностью оснований, а именно паттерном их химической модификации.
Иллюстрация механизмов хранения эпигенетической информации: a) Мобильное решение для программирования типа ДНК; b) Программируемая комбинация посредством самосборки ДНК; c) Параллельная печать, достигаемая за счёт катализа ферментом DNMT1, который выборочно записывает «эпи-биты» в матрицу ДНК; d) Секвенирование нанопор и анализ модифицированных матриц.
Процесс напоминает работу старого печатного станка с подвижными литерами. В роли «бумаги» выступает универсальная одноцепочечная матрица ДНК. «Наборный шрифт» — это коллекция из 700 коротких цепочек ДНК, так называемых «кирпичиков», каждый из которых состоит из 24 нуклеотидов. Эти кирпичики, несущие информацию, в определённом порядке самособираются на матрице.
Обратите внимание: Новая военная техника позволит солдатам видеть в … полной темноте.
Затем в действие вступают ферменты метилтрансферазы. Они распознают метилированные цитозины в «кирпичиках» и переносят этот эпигенетический «отпечаток» на матричную ДНК. Этот процесс можно сравнить с намагничиванием секторов жёсткого диска. Для чтения данных используется секвенирование нанопор, которое в реальном времени определяет не только последовательность нуклеотидов, но и статус их метилирования.
Успешные испытания и рекордная скорость
Эффективность технологии была продемонстрирована в эксперименте. Исследователи закодировали в ДНК изображение тигра (16 833 бита) и фотографию панды (252 500 бит). Все данные были успешно «напечатаны» и затем восстановлены без ошибок. Ключевое достижение — скорость. Если классические методы синтеза добавляют нуклеотиды по одному за 4-20 минут, новая система позволяет параллельно «печатать» 350 бит информации за раз, что является значительным прорывом.
Схема работы технологии: a) Принцип избирательного метилирования; b) Анализ однобитовых записей; c) Идентификация состояний метилирования с помощью гель-электрофореза; d) Флуоресцентное обнаружение; e) Считывание данных секвенированием нанопор; f-g) Моделирование процесса метилирования.
Доступность и высокая точность
Чтобы доказать практическую применимость метода для неспециалистов, учёные пригласили 60 добровольцев без лабораторного опыта. Используя специальное программное обеспечение iDNAdrive, они успешно закодировали и восстановили текстовые данные объёмом около 5000 бит. Вся процедура свелась к простым манипуляциям — добавлению реагентов в одну пробирку. Точность записи и считывания информации составила впечатляющие 98,58%.
Будущее технологии
Исследователи планируют дальнейшее развитие системы. Основные цели — увеличение скорости записи, снижение стоимости и наращивание ёмкости хранения. Один из путей — распространение эпигенетической маркировки на другие нуклеотидные основания, помимо цитозина. В перспективе эта технология может совершить революцию в архивировании больших данных, предлагая сверхплотное, долговечное и энергоэффективное хранилище.
Читайте все последние новости здравоохранения и медицины на New-Science.ru. Читайте все последние новости технологий на New-Science.ru.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Новая техника кодирования позволяет «печатать» и хранить данные на ДНК подобно старомодному печатному станку.