ДНК или дезоксирибонуклеиновая кислота — молекула, которая хранит генетические инструкции для организмов, используя четыре нуклеотида, называемые аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C). Эта простая четырехбитовая природа ДНК привлекла интерес ученых как потенциальная форма аппаратного обеспечения для новых вычислительных систем и хранения данных.
Теперь исследователи во главе с Ченг Кай Лимом, биологом-синтетиком из Национального университета Сингапура, продемонстрировали, что ДНК можно использовать не только для получения и хранения изображений, но и что эти изображения впоследствии могут быть восстановлены с помощью методов секвенирования.
Пропуская специальный двумерный свет через образцы ДНК, исследователи смогли создать «биологический аналог цифровой камеры», которую они назвали BacCam. Работа описана в статье, опубликованной в Nature Communications.
Лим и его коллеги отмечают:
«Растущая интеграция между биологическими и цифровыми интерфейсами повысила интерес к использованию биоматериалов для хранения цифровых данных, причем наиболее перспективным из них является хранение данных в определенных последовательностях ДНК, которые создаются путем синтеза ДНК de novo.
Однако нам не хватает методов, которые могли бы устранить необходимость в синтезе ДНК de novo, который, как правило, является дорогостоящим и неэффективным».
Работа описывает метод записи двумерных световых паттернов в ДНК, который сами ученые назвали «живой цифровой камерой» и прокладывает путь к интеграции биологических систем с цифровыми устройствами.
Ученые десятилетиями размышляли о вычислительном потенциале ДНК, и ожидается, что в ближайшие годы рынок приложений для хранения ДНК будет расти. На данный момент большинство усилий в этом направлении связано с синтезом ДНК in vitro, то есть созданием синтетического генетического материала. Этот процесс хорошо изучен, но его недостатками остаются дороговизна, сложность и многочисленные ошибки.
В поисках альтернативы Лим и его коллеги разработали новую технику. Она позволяет избежать необходимости синтезировать ДНК и работать с живыми клетками бактерий вида Escherichia coli, которые содержат так называемые «оптогенетические» схемы, способные регистрировать наличие или отсутствие света в ДНК.
Исследователи спроецировали простые 96-битные изображения, включая смайлик и слово BacCam, на определенные участки ДНК бактериальной культуры, используя синий свет. Их удалось успешно сохранить в ДНК и восстановить с почти идеальной точностью путем секвенирования закодированных цепочек.
Более того, команда смогла использовать красный свет для проецирования отдельного изображения на одни и те же сегменты ДНК, продемонстрировав, что из одного генетического образца можно получить, сохранить и расшифровать несколько изображений — от 100 до 1000 за цикл.
Исследователи заключают:
«Поскольку область хранения данных ДНК продолжает развиваться, растет интерес к соединению биологических и цифровых систем. Наша работа демонстрирует перспективы ДНК в качестве хранилища данных, с помощью которого можно будет воссоздать существующие устройства сбора информации в биологической форме, обеспечивая основу для дальнейших инноваций в области записи и хранения информации».
Читайте по теме: