Замена жестким дискам: ученые смогли записать данные в форме ДНК за считанные минуты

Ученые из США представили новый метод записи данных в форме ДНК, который занимает считанные минуты.

Результаты исследования опубликовали на сайте Северо-Западного университета.

Генетический код может использоваться в качестве системы для хранения информации, потому как в миллионы раз превосходит по эффективности существующие устройства, кодирующие данные при помощи "0" и "1". Также современные хранилища данных потребляют много энергии и занимают много места, хотя все их содержимое можно разместить на сотне килограммов ДНК. Однако с размещением информации на ДНК есть проблема, и заключается она во времени записи, которая занимает если не дни, то многие часы. Чтобы записывать цифровой код в ДНК, новые данные традиционно добавляют к уже существующим цепочкам при помощи химического синтеза, протекающего достаточно медленно: для получения результата необходимо долго стимулировать и подавлять экспрессию белков. Но инженерам, похоже, удалось найти решение этой проблемы.

Сотрудники Северо-Западного университета (США, штат Иллинойс) использовали новую ферментную систему для синтеза ДНК, которая записывает быстро изменяющиеся сигналы окружающей среды непосредственно в последовательности ДНК. Метод позволяет записывать новую ДНК с нуля вместо копирования шаблона, что значительно ускоряет процесс.

"Наш метод для записи информации намного эффективнее, чем тот, которым пользовались ранее, потому что ферментом, который синтезирует ДНК, можно напрямую манипулировать. Трудность заключалась в том, что внутриклеточные записи выполнялись крайне медленно, потому что требовали механических этапов экспрессии белка в ответ на сигналы, а наши ферменты экспрессируются заранее и могут непрерывно хранить информацию", — заявил ведущий автор исследования Кит Те.

Новый метод назвали Time-sensitive Untemplated Recording using Tdt for Local Environmental Signals (чувствительная ко времени незаметная запись с использованием Tdt для локальных сигналов окружающей среды), что сокращается до аббревиатуры TURTLES ("черепахи"). Tdt — это специальный ДНК-фермент, терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза. Именно с ее помощью данные записываются в генетический код за минуты.

Перемены, например, изменения концентрации металлов, регистрируются полимеразой, которая действует как биосенсор и указывает ученым время произошедших изменений. Возможность регистрировать изменения в ДНК при помощи биосенсоров доказывает эффективность TURTLES для использования внутри клеток. С помощью этой технологии ученые планируют изучать взаимодействия нейронов в головном мозге.

Кроме того, ДНК в качестве носителя с высокой плотностью может помочь ученым совершить прорыв в технологиях накопителей и биосенсоров. Команда отмечает, что технология будет полезна для архивирования видеозаписей с камер безопасности, которые редко воспроизводят, однако хранят на случай инцидентов. Биосенсоры же способны фиксировать загрязнение окружающей среды, такие как превышение допустимой концентрации тяжелых металлов.

"Однажды эта технология позволит нам изучать взаимодействия между миллионами клеток одновременно", — отметила Намита Бхан, соавтор работы.

По словам еще одного соавтора, Алека Каллисто, с помощью существующих технологий ученые способны изучать только крошечную часть нейронов мозга, да и то с большими ограничениями. Поместив биосенсоры во все клетки мозга, ученые смогут наблюдать за реакциями на стимулы в миллионах клеток.

В настоящее время команда сосредоточена на разработке инфраструктуры и усовершенствовании методов, необходимых для внутриклеточной записи информации. Ученые надеются, что их коллеги также заинтересуются новой концепцией и помогут воплотить ее в жизнь.

Ранее в Корее ученые создали "живой" чип на основе ДНК, который можно подключить к ПК и смартфонам. Процессор потребляет намного меньше энергии, чем электронные аналоги.