Учени „програмират” живи бактерии за съхранение на данни

ДНК молекулите са привлекателни за съхранение на данни по няколко причини
(снимка: CC0 Public Domain)

Твърдите дискове и оптичните устройства съхраняват гигабитове цифрови данни с едно натискане на бутон. Но тези технологии – като магнитните ленти и флопи дисковете преди тях – са склонни да стареят и да станат нечетими, когато бъдат изпреварени от нова технология. Учени са измислили начин за електронно записване на данни в ДНК на живите бактерии – вариант за съхранение, който скоро няма да остарее.

„Това е наистина хубава стъпка, която един ден може да стимулира търговското развитие [на технологията]”, казва за разработката Сет Шипман, биоинженер в Института Гладстоун и Калифорнийския университет, Сан Франциско, цитиран от ScienceMag. Той отбелязва обаче, че приложенията на технологията в реалния свят все още са много далеч.

ДНК е привлекателна за съхранение на данни по няколко причини. Първо, молекулата на живота е над 1000 пъти по-плътна от най-компактните твърди дискове, което ѝпозволява да съхранява еквивалента на 10 пълнометражни цифрови филма в обема на зърно. И тъй като ДНК е от основно значение за биологията, технологиите за запис и четене от нея се очаква да станат по-евтини и по-мощни с времето.

Съхраняването на данни в ДНК не е нова идея. За целта изследователите обикновено преобразуват низа от цифрови единици и нули от файл с данни в комбинации от четирите основи на молекулата: аденин, гуанин, цитозин и тимин. След това използват ДНК синтезатор, за да запишат този код в ДНК.

Но точността на ДНК синтеза намалява с увеличаване на дължината на кода, така че изследователите обикновено разбиват файла си на парчета и ги записват във фрагменти от ДНК с дължина между 200 и 300 бази. На всеки фрагмент се дава индекс за идентифициране на местоположението му във файла, а ДНК секвенсорите след това четат фрагментите, за да сглобят отново файла.

Подобна технология е скъпоструваща – до 3500 долара за синтезиране на 1 мегабит информация. А флаконите с ДНК, в които се съхранява информацията, могат да се разградят с времето.

За да създадат дълготрайна, по-лесна за кодиране среда, изследователите се опитват да запишат данни в ДНК на живите организми, които копират и предават гените си на следващото поколение. През 2017 г. екип, ръководен от Харис Уанг, системен биолог от Колумбийския университет, използва системата за редактиране на гени CRISPR, за да разпознае биологичен сигнал, като например наличието на захарна фруктоза. Когато изследователите добавят фруктоза към клетките на Ешерихия коли (Escherichia coli), генната експресия се увеличава в битове на пръстеновидна ДНК, наречена плазмиди.

След това компонентите на CRISPR – които се развиха, за да защитят бактериите от вирусни нашественици – нарязват свръхекспресиращия плазмид на парчета и вкарват част от него в специфична част от ДНК на бактерията, която „помни” предишни вирусни нашественици. Вмъкнатият генетичен бит представлява всъщност цифрова единица. Ако фруктозният сигнал липсваше, бактериите щяха да съхраняват произволен бит ДНК, представляващ цифрова нула. След това секвенирането на ДНК на Е. coli разкрива дали бактериите са били изложени на фруктоза чрез единица или нула.

Но тъй като тази настройка може да съхранява само няколко бита данни, Уанг и колегите му заменят системата за разпознаване на фруктоза с такава, която може да кодира по-дълги низове информация: електронен вход. Те вмъкват серия от гени в Е. coli, които позволяват на клетките да увеличат експресията на плазмид в отговор на електрическо напрежение. Както с фруктозата, увеличаването на експресията кара цифровата единица да се съхранява в ДНК на бактерията. За да прочетат единиците и нулите, изследователите просто са секвенирали бактериите.

Използвайки този подход, Уанг и колегите му кодират електрически до 72 бита данни, за да напишат съобщението „Здравей, свят!”. Експериментът е описан подробно в Nature Chemical Biology. Учените показват също, че могат да добавят Е. coli с посланието си към комбинация от нормални почвени микроби – и по-късно да подредят сместа, за да възстановят съхраненото съобщение.

Уанг казва, че все още е рано за съхранение на данни в живите организми. „Няма да се конкурираме с настоящите системи памет за съхранение”, казва той. Изследователите ще трябва да измислят начини да предотвратят разграждането на техните съобщения, тъй като бактериите мутират, докато се репликират.