Зеттабайты в пробирке: мы научились записывать на ДНК гигантские объемы данных

Ученые разработали интересный метод хранения информации в ДНК с помощью эпигенетических модификаций. Группа исследователей представила технологию, которая может существенно упростить и удешевить процесс записи на молекулярном уровне.

В условиях, когда человечество ежегодно генерирует зеттабайты контента (это 1021 байт), поиск эффективных способов его сохранения становится критически важным. ДНК привлекает внимание научного сообщества благодаря невероятной плотности записи и способности оставаться неизменной на протяжении тысячелетий.

Традиционно ученые записывали информацию в ДНК, выстраивая цепочки из четырех "букв" генетического кода – нуклеотидов A, T, C и G. Однако создание таких последовательностей требовало много времени и денег, а главное – чем длиннее становилась цепочка, тем выше был риск ошибок при записи.

Новый метод использует другой принцип – эпигенетические модификации. В природе они работают как особые пометки на ДНК: не меняя последовательность "букв", эти химические изменения подсказывают клетке, как именно использовать тот или иной участок генетического кода. Ученые научились управлять одним из видов таких модификаций – изменением нуклеотида C, когда после него следует G.

Разработанная технология похожа на работу старинного печатного станка. Вместо длинной металлической формы здесь используется шаблон – протяженная цепочка ДНК. А роль букв играют короткие молекулы-"кирпичики", каждая из которых может присоединиться только к определенному участку шаблона. Одни "кирпичики" несут модифицированные нуклеотиды C, другие – обычные.

Когда "кирпичик" с измененным C прикрепляется к шаблону, он дает сигнал особому ферменту нанести такую же модификацию на основную цепь ДНК. Фермент распознает участок CG на одной цепи и GC на другой (они идут в противоположных направлениях), что позволяет точно переносить метки в нужные области.

Каждый потенциально изменяемый участок шаблона назвали "эпи-битом". Модифицированная версия соответствует единице в двоичном коде компьютера, а исходная – нулю. Главное преимущество метода в том, что несколько битов можно записать одновременно без необходимости синтезировать новые последовательности.

Для считывания была создана система, в которой единицы светятся, а нули остаются темными. Свечение вместе с последовательностью оснований фиксируется, когда ДНК проходит через наноразмерную пору.

В серии экспериментов ученые использовали пять ДНК-шаблонов и 175 "кирпичиков", что позволило одновременно записывать по 350 битов. Применив специально помеченные шаблонные молекулы, исследователи смогли закодировать и затем прочитать около 275 000 битов. Среди записанного оказались цветной портрет панды и древний рисунок тигра времен династии Хань.

Новую технологию проверили на практике с помощью студентов-добровольцев. 60 учащихся разных факультетов получили простые наборы для кодирования текстов. Результат оказался обнадеживающим: из 15 записанных фрагментов удалось восстановить 12.

Впрочем, метод пока требует доработки. При записи и чтении иногда случаются сбои, к тому же эпигенетические метки исчезают во время копирования ДНК. Исследователям еще предстоит выяснить, насколько устойчивы внесенные изменения при разных условиях хранения. Пока известно лишь то, что эпи-биты не разрушаются даже при нагреве до 95 градусов Цельсия.