Вийшла перша у світі ДНК-книга

Вченим з Гарварду вдалося записати в масив ДНК цілу книгу, що складається з 53 426 слів, 11 картинок і однієї Java-програми. Книга називається «Регенезіс: Як синтетична біологія заново відкриє природу і нас самих» та її автором є керівник групи, яка і цю створила ДНК-книгу.

Це вперше вчені використали ДНК, щоб кодувати вміст книги. Дослідники стверджують, що витрати на кодування в ДНК так швидко зменшуються, що протягом 5-10 років це може стати найдешевшим способом зберігання інформації.

Молекули ДНК, які містять детальні інструкції, необхідні для росту, розмноження і підтримки життя організмів, належать до найбільш мініатюрних, ємних і стабільних носіїв інформації, які залишають далеко позаду всі штучно створені на даний момент пристрої пам’яті. Ідея використовувати ДНК для запису, зберігання та зчитування даних обговорюється і досліджується вже давно, причому не тільки в науково-фантастичних романах, але і в науковій періодиці, де регулярно з’являються повідомлення про випробування чергової експериментальної технології ДНК-пам’яті.

Технологічний потенціал цієї молекули дійсно дуже вражає.

У першу чергу це стосується щільності упаковки даних: теоретично, ДНК може кодувати два біта інформації на один нуклеотид (повторювані блоки, з яких складається молекула), що в результаті дає величезне число – 455 ексабайт (1 ексабайт = 1018 байт) даних на один грам одного ланцюжка ДНК. Такого граму цілком вистачило б, щоб записати весь середньорічний обсяг глобального інтернет-трафіку за 2012 рік.

Другою перевагою ДНК-пам’яті є її стабільність: на відміну від цифрових магнітних і оптичних носіїв, реальний час життя яких прогнозувати досить складно через молодість і недосконалості технології, інформація, записана в ДНК за допомогою хімічних зв’язків, може зберігатися десятки тисяч років, що вже дозволяє зчитувати генотипи деяких вимерлих в незапам’ятні часи тварин і рослин, а з подальшим розвитком технології – і повертати їх до життя.

Нарешті, універсальний ензимний механізм запису та зчитування інформації, відшліфований за мільярди років еволюції живої речовини, дозволяє розглядати ДНК-пам’ять в якості майбутнього потенційного стандарту зберігання та зчитування даних.

Адже майже ідеальний пристрій пам’яті вже створений самою природою, коли роль технології зводиться до того, як саме його використовувати.

Перший штучне пристрій ДНК-пам’яті було продемонстровано ще в 1988 році, коли за допомогою цієї молекули вдалося закодувати 7920 бітів даних. Але в порівнянні з цим досягненням технологія, запропонована дослідницькою групою, що працює під керівництвом Джорджа Черча з факультету генетики Гарвардської медичної школи, виглядає вже справжнім проривом: використовуючи абсолютно новий підхід в кодуванні інформації на ДНК, а також ДНК-синтезатори та секвенатори новітнього покоління, генетикам вдалося «запхати» у масив одноланцюгових ДНК цілу книгу у форматі HTML об’ємом в 53 426 слів, а крім того, 11 зображень у форматі JPG і одну програму, написану мовою Java.

Загальний обсяг даних, записаних за допомогою ДНК, склав 5,27 мегабіт.

Опис нової технології ДНК-пам’яті міститься в статті, опублікованій в Science.

Для кодування 5,27-мегабитного масиву група Черча використовувала штучно синтезовані послідовності нуклеотидів, так звані олігонуклеотиди (форма нуклеїнової кислоти, яка містить відносно невелике, до декількох десятків, число нуклеотидів). Кожен олигонуклеотид включав в себе 96-бітний блок даних (96 нуклеотидів), 19-бітна адреса, за якою визначалося місце блоку в загальному масиві (19 нуклеотидів), і одноманітні 22-бітові технічні послідовності основ, необхідні для подальшої ампліфікації та фінального розшифрування молекулярного запису за допомогою ДНК-секвенатору (ампліфікація – створення додаткових копій ланцюжків нуклеотидів, необхідних для подальших маніпуляцій з інформацією, що міститься в ДНК, – наприклад, порівняльної корекції і зведення до мінімуму помилок при її розшифровці).

У загальній складності для запису 5,27-мегабитного масиву було використано 54898159 нуклеотидів, організованих у 115-бітні олігонуклеотидних блоки.

Останні були синтезовані звичайним чином за допомогою спеціальних повністю автоматизованих установок, що дозволяють поетапно вибудовувати олігонуклеотидні ланцюжки з певною послідовністю основ, при цьому аденін і цитозин приймалися за умовний нуль, а гуанін і тимін – за умовну одиницю.

Ємнісні характеристики пристроїв пам’яті – експериментальних і комерційних: вертикальна координата – щільність запису, горизонтальна – ємність носія (шкали логарифмічні). Червона крапка зверху – ДНК-пам’ять, розроблена групою Черча. / / G.Church et al.

Таким чином, розбивши масив на відносно невеликі 115-бітні блоки олігонуклеотидів, вдалося уникнути необхідності синтезувати довгі ДНК-послідовності для кодування великих обсягів інформації, тим більше що сучасні установки здатні вибудовувати точні ланцюжки з, як правило, не більше 200 нуклеотидів.

Все це спростило подальшу розшифровку і корекцію помилок, також здійснених за звичайною схемою за допомогою автоматизованої полімеразно-ланцюгової реакції і паралельних ДНК-секвенаторів новітнього покоління: ДНК-ланцюжки багаторазово клонували, далі, скорегувавши помилки за допомогою «дзеркальних» ланцюжків, прочитали, а коди, що вийшли, з’єднали в масив даних у відповідності з адресними мітками.

Теоретична щільність ДНК-запису, що досягається за допомогою подібної технології, становить 5,5 петабіт (1 петабіт = 1015) на один кубічний міліметр.

Це безпрецедентно високий показник для пристроїв пам’яті, притому не тільки комерційних, а також експериментальних, наприклад квантово-голографічних.

Тим не менш практичне використання цього методу сильно обмежене його громіздкістю, тривалістю циклу запису / читання і, звичайно, вартістю.

Утім, вартість розшифровки ДНК щорічно падає приблизно в 5-12 разів – це набагато швидше, ніж вартість цифрового електронно-оптичного мегабайта, так що у технології ДНК-пам’яті, безумовно, є велике майбутнє, на яке натякає і назва закодованої в ДНК книги – «Регенезіс: Як синтетична біологія заново відкриє природу і нас самих»(‘Regenesis: How Synthetic Biology Will Reinvent Nature and Ourselves’, Basic Books, New York), одним з авторів якої є Джордж Черч.

За матеріалами The Guardian та Gazeta.ru