Новая техника кодирования позволяет «печатать» и хранить данные на ДНК подобно старомодному печатному станку. Эпигенетическая система маркировки используется для записи данных в двоичном коде, а нанопоровое устройство секвенирования — для считывания результатов. Несмотря на кажущуюся сложность конструкции, этот метод не требует особых знаний в области лабораторных технологий.
Несмотря на современные достижения в области хранения данных, они еще далеки от того, чтобы сравниться с ДНК. Концентрируя огромные объемы информации в крошечных объемах, один кубический сантиметр ДНК может хранить эквивалент 10 эксабайт (ЭБ) данных в течение тысяч лет или даже миллионов при наилучших условиях. Благодаря такому огромному потенциалу ДНК в настоящее время изучается как новый носитель для хранения цифровой информации.
Современные технологии предполагают преобразование данных в двоичном коде в последовательности нуклеотидов (аденин, гуанин, цитозин и тимин). Запись осуществляется путем синтеза нити ДНК с нуля, то есть путем добавления нуклеотидных оснований одного за другим в заранее определенном порядке. Однако эти методы ограничены с точки зрения скорости записи и длины синтезируемой нити.
Чтобы преодолеть эти ограничения, были предложены альтернативные подходы, такие как параллельная запись. Однако структурная нестабильность и ограниченная производительность обработки информации препятствуют их применению. В отличие от этого, эпигеном может кодировать модифицируемую информацию, которая стабильнее геномной последовательности, несущей ее. В исследовании, проведенном под руководством Пекинского университета, предложена методика, вдохновленная древними техниками печати и основанная на передаче эпигеномных признаков.
«Вдохновленные естественным эпигеномным наследованием и синтетической самосборкой ДНК, мы разработали нетрадиционную систему записи данных на ДНК, которая позволяет параллельно записывать произвольные биты эпигенетической информации (эпи-биты) на шаблоны ДНК на основе ферментативного метилирования под руководством самосборки ДНК», — объясняют исследователи в работе, опубликованной в журнале Nature.
Система, вдохновленная старыми печатными станками
Методика предполагает кодирование бинарных данных непосредственно на уровне ДНК с помощью селективного метилирования — эпигенетической модификации. Если основание метилировано, оно кодируется как 1, а если не метилировано, то как 0. Другими словами, «информацию несет не сама последовательность [ДНК], а слой метилирования», — объясняет соавтор исследования Лонг Цянь из Пекинского университета в журнале Chemical & Engineering News.
a. Иллюстрация механизма хранения эпигенетической информации. b. Схема программирования мобильных типов ДНК. c. Программируемая композиция путем самосборки ДНК. d. Параллельная печать достигается за счет катализа DNMT1, управляемого самосборкой ДНК, для селективной записи эпи-битов в ДНК-шаблоны. e. Нанопоровое секвенирование модифицированных шаблонов и коллективный вызов метилирования.
Исследователи разработали программируемый метод письма с помощью самосборки, похожий на подвижный шрифт, использовавшийся в старых типографиях. Для печати газет их собирали по одному на больших пластинах, чтобы сформировать текст для печати, а затем наносили на них чернила, после чего по ним проходила бумага. В технике, использованной в исследовании, в качестве бумаги выступает универсальный шаблон одноцепочечной ДНК, а печатный шрифт представляет собой набор из 700 коротких нитей, называемых «кирпичиками». Каждый кирпичик состоит из 24 нуклеотидов, а цитозины являются местами метилирования.
Чтобы закодировать информацию, кирпичики располагаются в шаблоне ДНК в определенной последовательности, каждый из которых содержит эпибит информации. ДНК обрабатывается метилтрансферазой (ферментом), которая распознает метилированный цитозин и впечатывает информацию о метилировании, связываясь с шаблоном ДНК. Этот процесс можно сравнить с тем, как цифровые данные копируются на жесткие диски путем изменения направления намагничивания. Затем информация восстанавливается с помощью метода нанопорового секвенирования, позволяющего непосредственно в реальном времени считывать фрагменты ДНК и состояние их метилирования.
Команда протестировала свою технику печати ДНК для кодирования рисунка тигра и фотографии панды, представляющих собой 16 833 и 252 500 бит соответственно. Все данные были успешно напечатаны и восстановлены. В то время как предыдущие методы требовали от 4 до 20 минут для добавления нуклеотидов один за другим, этот прогресс позволяет одновременно печатать 350 бит информации намного быстрее, чем нынешние методы.
a. Схема принципа селективного метилирования. b. Дизайн однобитового анализа записи метилирования. c. Анализ сдвига геля для выявления различных состояний метилирования. d. Флуоресцентная детекция различных состояний метилирования. e. Иллюстрация эпи-битового считывания при нанопоровом секвенировании. f. g. Вызов метилирования по сигналам модельной нанопоры.
Доступность для неспециалистов и точность 98,58 %
Чтобы оценить доступность методики, исследователи пригласили 60 добровольцев, не имеющих опыта работы с лабораторными методами, воспользоваться платформой для резервного копирования и восстановления данных. Участникам было предложено использовать программное обеспечение под названием iDNAdrive для кодирования текстов по своему выбору общим объемом около 5 000 бит. В то время как хранение нуклеотидов должно осуществляться на специализированной платформе для синтеза и требует развитых лабораторных навыков, манипуляции, необходимые для этой новой техники, сводятся к добавлению различных реагентов в одну пробирку. Данные были распечатаны и считаны с точностью 98,58%.
Исследователи планируют и дальше совершенствовать методику, уделяя особое внимание увеличению скорости записи данных и снижению затрат. Они также надеются увеличить объем памяти, распространив эпигенетическую маркировку на другие нуклеотидные основания, а не ограничиваясь только цитозином. В конечном счете, эта технология может произвести революцию в области хранения данных, не в последнюю очередь благодаря своей доступности.
Читайте все последние новости здоровья и медицины на New-Science.ru Читайте все последние новости технологии на New-Science.ru
