ДНК-компьютеры становятся ближе

Создана технология, которая позволяет записывать любую информацию на молекулы ДНК без использования живых клеток.

Если сравнивать информационную ёмкость обычного жёсткого диска с ДНК, то ДНК оставит «соперника» далеко позади. Ведь генетический код представляет собой миллиарды гигабайт, упакованные примерно в одном грамме носителей-макромолекул. Миллиграмма ДНК хватило бы, чтобы записать все книги Библиотеки конгресса США, и осталось бы ещё свободное место для новых поступлений. Однако носители информации на основе ДНК можно обсуждать лишь в контексте научной фантастики. Попытки использовать ДНК живых клеток для записи данных предпринимались, но упирались в очевидные недостатки такой системы: во-первых, срок жизни клетки невелик (даже по сравнению с бумагой), а во-вторых, ДНК в клетке постоянно мутирует.

Тут, конечно, напрашивается очевидное предложение — обойтись одной ДНК, без клетки. И учёные из Гарвардской медицинской школы (США) так и сделали. Для начала они взяли книгу, включавшую в себя 53 тыс. слов и 11 изображений в JPEG-формате, и преобразовали их в HTML-код. В этом виде информация занимала 5,3 Мбайт. Эти данные соотносились с четырёхбуквенным кодом ДНК: аденин и гуанин соответствовали единице, цитозин и тимидин — нулю. Вся информация была разбита на фрагменты ДНК по 96 пар оснований. Кроме основной информации, каждый фрагмент имел 19-нуклеотидный адрес, указывавший на место этого информационного куска среди других. Кроме того, каждый кусок был обрамлён 22-нуклеотидными последовательностями, необходимыми для размножения фрагмента с помощью полимеразной цепной реакции. (Размножение ДНК с помощью ПЦР необходимо для того, чтобы для последующего секвенирования было достаточно материала.) На последнем этапе из этих фрагментов делали ДНК-чип — физический носитель, которым удобно манипулировать.

Для чтения записанной информации использовали обычный метод ДНК-секвенирования и компьютерную программу, которая анализировала полученные последовательности и сшивала их в единое целое по «адресам». Применённый метод секвенирования, вообще говоря, рассчитан на огромные геномы, поэтому исследователи смогли около 3 тыс. раз проверить в своём небольшом кусочке информации каждый бит. Несмотря на гигантскую статистику считываний, в общей сложности им удалось найти всего 10 ошибок. Если поделить это на объём прочитанной информации, то окажется, что ДНК-чип «ошибается» реже обычного жёсткого диска.

Ошибки чаще всего случались там, где было несколько повторов одной буквы подряд: например, в последовательности вида GGGGGG. Учитывая, что в данном случае и G, и А соответствуют цифровой единице, можно легко уменьшить вероятность такой ошибки, заменив некоторые G на А, то есть вместо GGGGGG сделать GАGАGА. Кроме того, ошибки можно исправлять по второй копии нити ДНК, которая, как известно, представляет собой двунитевую спираль.

Результаты экспериментов с цифровой ДНК опубликованы в журнале Science.

Это, безусловно, прорыв в области ДНК-информационных технологий: исследователи научились записывать, хранить и воспроизводить информацию на ДНК без участия капризной и непостоянной живой клетки. Теперь реализовать высочайшую информационную ёмкость этой макромолекулы, кажется, ничто не мешает. Квадратный миллиметр такого чипа может содержать 5,5 петабайта информации — в миллион раз больше, чем современные винчестеры.

Однако всеобщая цифровая революция в ближайшее время вряд ли произойдёт. Во-первых, стоимость производства таких ДНК-чипов и считывания информации с них крайне высока, во-вторых, запись и считывание занимают дни — сравните с долями секунды, которые тратят на это современные компьютеры. Так что пока такие макромолекулярные жёсткие диски можно использовать лишь для долговременного консервирования большого количества информации, которая одновременно существует ещё и на более удобных в обращении носителях.

Подготовлено по материалам Гарвардской медицинской школы.

Создана технология, которая позволяет записывать любую информацию на молекулы ДНК без использования живых клеток.

Если сравнивать информационную ёмкость обычного жёсткого диска с ДНК, то ДНК оставит «соперника» далеко позади. Ведь генетический код представляет собой миллиарды гигабайт, упакованные примерно в одном грамме носителей-макромолекул. Миллиграмма ДНК хватило бы, чтобы записать все книги Библиотеки конгресса США, и осталось бы ещё свободное место для новых поступлений. Однако носители информации на основе ДНК можно обсуждать лишь в контексте научной фантастики. Попытки использовать ДНК живых клеток для записи данных предпринимались, но упирались в очевидные недостатки такой системы: во-первых, срок жизни клетки невелик (даже по сравнению с бумагой), а во-вторых, ДНК в клетке постоянно мутирует.

Тут, конечно, напрашивается очевидное предложение — обойтись одной ДНК, без клетки. И учёные из Гарвардской медицинской школы (США) так и сделали. Для начала они взяли книгу, включавшую в себя 53 тыс. слов и 11 изображений в JPEG-формате, и преобразовали их в HTML-код. В этом виде информация занимала 5,3 Мбайт. Эти данные соотносились с четырёхбуквенным кодом ДНК: аденин и гуанин соответствовали единице, цитозин и тимидин — нулю. Вся информация была разбита на фрагменты ДНК по 96 пар оснований. Кроме основной информации, каждый фрагмент имел 19-нуклеотидный адрес, указывавший на место этого информационного куска среди других. Кроме того, каждый кусок был обрамлён 22-нуклеотидными последовательностями, необходимыми для размножения фрагмента с помощью полимеразной цепной реакции. (Размножение ДНК с помощью ПЦР необходимо для того, чтобы для последующего секвенирования было достаточно материала.) На последнем этапе из этих фрагментов делали ДНК-чип — физический носитель, которым удобно манипулировать.

Для чтения записанной информации использовали обычный метод ДНК-секвенирования и компьютерную программу, которая анализировала полученные последовательности и сшивала их в единое целое по «адресам». Применённый метод секвенирования, вообще говоря, рассчитан на огромные геномы, поэтому исследователи смогли около 3 тыс. раз проверить в своём небольшом кусочке информации каждый бит. Несмотря на гигантскую статистику считываний, в общей сложности им удалось найти всего 10 ошибок. Если поделить это на объём прочитанной информации, то окажется, что ДНК-чип «ошибается» реже обычного жёсткого диска.

Ошибки чаще всего случались там, где было несколько повторов одной буквы подряд: например, в последовательности вида GGGGGG. Учитывая, что в данном случае и G, и А соответствуют цифровой единице, можно легко уменьшить вероятность такой ошибки, заменив некоторые G на А, то есть вместо GGGGGG сделать GАGАGА. Кроме того, ошибки можно исправлять по второй копии нити ДНК, которая, как известно, представляет собой двунитевую спираль.

Результаты экспериментов с цифровой ДНК опубликованы в журнале Science.

Это, безусловно, прорыв в области ДНК-информационных технологий: исследователи научились записывать, хранить и воспроизводить информацию на ДНК без участия капризной и непостоянной живой клетки. Теперь реализовать высочайшую информационную ёмкость этой макромолекулы, кажется, ничто не мешает. Квадратный миллиметр такого чипа может содержать 5,5 петабайта информации — в миллион раз больше, чем современные винчестеры.

Однако всеобщая цифровая революция в ближайшее время вряд ли произойдёт. Во-первых, стоимость производства таких ДНК-чипов и считывания информации с них крайне высока, во-вторых, запись и считывание занимают дни — сравните с долями секунды, которые тратят на это современные компьютеры. Так что пока такие макромолекулярные жёсткие диски можно использовать лишь для долговременного консервирования большого количества информации, которая одновременно существует ещё и на более удобных в обращении носителях.

Подготовлено по материалам Гарвардской медицинской школы.