Исследователи из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета сообщили о создании метода, который позволит хранить зашифрованные данные в молекулах ДНК, а также повторно записывать их. Об этом ученые рассказали в журнале Nano Letters. Идея хранения информации с помощью генетического кода заключается в том, чтобы синтезировать длинные молекулы ДНК с индивидуальными последовательностями базовых блоков. Плотность записи данных, которая достигается таким образом, на порядки выше, чем в существующих магнитных или твердотельных технологиях, а время хранения достигает тысяч, а не десятков лет. Долговечность и плотность записи данных в ДНК были бы особенно полезны для их архивирования, если бы не некоторые существенные ограничения.
«Одна из самых больших проблем — это создание ДНК, — говорит один из исследователей, профессор прикладной физики Кембриджского университета Ульрих Кейзер. — Синтез de novo молекул ДНК с заданными последовательностями базовых единиц достаточно долог, очень трудозатратен и требует использования ферментов. Но с нашим подходом сделать это стало проще — все равно что собрать модель из кубиков LEGO. Вы просто смешиваете ингредиенты, нагреваете их и охлаждаете».
Чтение данных, хранящихся в последовательностях ДНК, — также медленный и дорогостоящий процесс. Технология секвенирования прошла долгий путь, но она все еще в основном опирается на создание миллиардов копий молекулы для усиления сигналов от белковых взаимодействий. Альтернативный метод секвенирования пропускает молекулу ДНК через нанопору и считывает последовательность в реальном времени по изменениям ионного тока при прохождении через нее различных пар оснований. Хотя это дешевле и эффективнее, чтение битов из последовательности ДНК таким способом все еще занимает слишком много времени для технологий хранения данных.
Авторы новой работы разработали подход, который позволяет легко и точно считывать информацию с помощью нанопор и записывать ее простым смешиванием веществ. Ключом к новому подходу является контроль «отжига» липких концов однонитевой ДНК. Последовательность нуклеотидов в основной цепочке ДНК одинакова во всех используемых молекулах, но комплементарная цепь, которая биотинилируется, может содержать и другие основания. Когда комплементарная нить биотинилирована, она будет связываться с молекулами стрептавидина, что позволяет легко обнаруживать изменение ионного тока при прохождении ДНК через нанопору. Соответственно, наличие этого вещества на том или ином участке ДНК записывается в считывающей программе как «1», а его отсутствие как «0».
Новая технология записи и чтения информации использует дополнительную одноцепочечную ДНК, которая остается торчащей после функционализации, что позволяет легко стирать и переписывать информацию. Данные остаются зашифрованными за счет «торчащих» наружу биотинилированных нитей. Это возможно потому, что только тот, кто знает последовательность липких концов однонитиевой ДНК, будет знать, какую последовательность должна иметь комплементарная нить, связанная со стрептовидином, чтобы обладать последовательностью нулей и единиц, полученной при нанопоровом секвенировании. Теперь исследователи планируют масштабировать технологию, провести эксперименты с другими веществами, кроме стрептовидина, чтобы повысить эффективность процессов записи и удаления информации.
