Ученые превратили бактерию в диск для записи данных

Иллюстрация: ChatGPT

 

Жесткие диски позволяют хранить гигабайты данных. Но рано или поздно они устареют, как устарели перфокарты, магнитные ленты и дискеты. Группа биологов из Колумбийского университета в США предложила новый способ хранить информацию — записывать ее в ДНК живых бактерий.

У этого метода есть ряд преимуществ. Во-первых, данные записываются в 1 000 раз компактнее, чем на жестком диске, поэтому, материала размером с крупицу соли, хватит для хранения десяти полномасштабных фильмов. Во-вторых, изучение ДНК продвигается семимильными шагами, а значит со временем эта технология станет проще и дешевле и получит коммерческое применение.

Для записи данных ученые преобразуют последовательность единиц и нулей в комбинации четырех азотистых оснований, которые входят в состав ДНК: аденина, гуанина, цитозина и тимина. Затем они записывают этот код с помощью синтезатора ДНК. Однако чем длиннее код, тем ниже точность синтеза, поэтому ученые разбивают файл на части в 200-300 оснований. Чтобы информация не потерялась и не перемешалась, каждому фрагменту присваивают индекс. Затем секвенсоры ДНК считывают фрагменты и заново собирают файл.

В 2017 году исследователи использовали систему редактирования генов CRISPR, чтобы распознавать присутствие сахарной фруктозы. Они добавили фруктозу в клетки бактерии Escherichia coli (она же — кишечная палочка). После этого увеличивалась экспрессия генов в так называемых плазмидах — небольших молекулах ДНК, способных к самостоятельному воспроизведению. Эти плазмиды делили на части и помещали в другие участки ДНК, которые отвечают за борьбу с вирусами и хранят информацию о предыдущих вирусных захватчиках.

Кусочек плазмиды превращался в своего рода бит, то есть мог хранить аналоги 1 и 0. Если бактерия не подвергалась воздействию фруктозы, то бит содержал случайные данные, то есть 0. Эту информацию можно было извлечь с помощью секвентирования ДНК кишечной палочки.

Затем ученые решили записать более сложное сообщение. Они вставили бактериям серию генов, которые увеличивали экспрессию в ответ на электрическое напряжение. Дальше все так же, как и в эксперименте с фруктозой: эта информация сохранялась в ДНК бактерий, а чтобы считать единицы и нули, ученые использовали секвенирование. Таким образом они закодировали 72 бита данных и написали сообщение «Hello world!».

Конечно, при всей оригинальности у этой технологии есть очевидные недостатки. Прежде всего, она очень дорогая: синтез 1 мегабита информации обходится в 3,5 тысячи долларов. Кроме того, бактерии могут погибнуть. Поэтому сейчас исследователи пытаются сделать так, чтобы записанные данные передавались в ДНК по наследству. Но здесь возникает еще одна проблема: бактерии мутируют при размножении, постепенно стирая сообщение.

Авторы исследования говорят, что пока не собираются конкурировать с общепринятыми способами хранения информации. Однако, передача зашифрованных сообщений в ДНК живых существ — это отличная идея для фантастического фильма или шпионской истории.