Το DNA αποθηκεύει δεδομένα σε bit μετά την επιγενετική αναβάθμιση

Το DNA αποθηκεύει δεδομένα σε bit μετά την επιγενετική αναβάθμιση

Το DNA υπάρχει εδώ και χιλιάδες χρόνια προτιμώμενη εγκατάσταση αποθήκευσης δεδομένων της ανθρωπότητας. Σκληρό και συμπαγές, είναι τόσο πυκνό στις πληροφορίες που ένα γραμμάριο είναι αρκετά δεδομένα για 10 εκατομμύρια ώρες υψηλής ανάλυσης βίντεο μπορεί να σώσει.

Πάντα όμως υπάρχει περιθώριο βελτίωσης.

Μια νέα μέθοδος καθιστά πλέον δυνατή την αποθήκευση πληροφοριών στο DNA ως δυαδικό κώδικα - τα ίδια 0 και 1 που χρησιμοποιούνται από τους συμβατικούς υπολογιστές. Αυτή η μέθοδος θα μπορούσε μια μέρα να είναι φθηνότερη και ταχύτερη από την κωδικοποίηση πληροφοριών στην αλληλουχία των δομικών στοιχείων που συνθέτουν το DNA, το οποίο χρησιμοποιείται σήμερα από τα κύτταρα και οι περισσότερες προσπάθειες για να γίνει αυτό Αποθήκευση τεχνητά δημιουργημένων δεδομένων αντιστοιχεί στη μέθοδο που χρησιμοποιείται.

Η μέθοδος είναι τόσο απλή που 60 εθελοντές από διαφορετικούς τομείς μπόρεσαν να τη χρησιμοποιήσουν για να αποθηκεύσουν το κείμενο της επιλογής τους. Πολλοί από αυτούς αρχικά δεν πίστευαν ότι η τεχνική θα λειτουργούσε, λέει ο Long Qian, υπολογιστικός συνθετικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Πεκίνου στο Πεκίνο και συγγραφέας της μελέτης. 1, το οποίο περιγράφει την τεχνολογία.

«Μόλις είδαν τη σειρά και πήραν τις σωστές γραμμές πίσω, άρχισαν να πιστεύουν ότι μπορούσαν πραγματικά να το κάνουν», εξηγεί. Η μελέτη δημοσιεύτηκε σήμερα στο Nature.

Σύντομη αποθήκευση

Αυτή η τεχνική είναι μόνο μία από τις πολλές Προσπαθώντας να μετατρέψουμε το DNA σε μια βιώσιμη εναλλακτική στα παραδοσιακά, επιλογές ηλεκτρονικής αποθήκευσης που δεν μπορεί να συμβαδίσει με την αυξανόμενη παραγωγή δεδομένων στον κόσμο. «Φτάνουμε σε φυσικά όρια», λέει ο Nicholas Guise, φυσικός στο Georgia Tech Research Institute στην Ατλάντα. «Και παράγουμε συνεχώς περισσότερα δεδομένα».

Η τεράστια χωρητικότητα αποθήκευσης του DNA το καθιστά μια ελκυστική εναλλακτική λύση. Επιπλέον, μπορεί Το DNA, όταν προστατεύεται από την υγρασία και το υπεριώδες φως, μπορεί να διαρκέσει για εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια. Αντίθετα, οι ηλεκτρονικοί σκληροί δίσκοι πρέπει να αντικαθίστανται κάθε λίγα χρόνια διαφορετικά τα δεδομένα καταστρέφονται.

Ο πιο προφανής τρόπος αποθήκευσης πληροφοριών στο DNA είναι η εισαγωγή των δεδομένων στην αλληλουχία του DNA, μια διαδικασία που απαιτεί τη σύνθεση ενός κλώνου DNA από την αρχή. Αυτή η προσέγγιση είναι αργή και πολλές τάξεις μεγέθους πιο ακριβή από την ηλεκτρονική αποθήκευση δεδομένων, εξηγεί ο Albert Keung, συνθετικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας στο Raleigh.

Για να αναπτύξουν έναν φθηνότερο, πιο γρήγορο τρόπο, η Qian και οι συνεργάτες της στράφηκαν σε αυτό "Επιγονιδίωμα" - μια ποικιλία μορίων που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για τον έλεγχο της γονιδιακής δραστηριότητας, χωρίς να τροποποιηθεί η ίδια η αλληλουχία DNA. Για παράδειγμα μπορεί Οι λεγόμενες μεθυλομάδες προστίθενται ή αφαιρούνται από το DNA να αλλάξουν τη λειτουργία τους.

Η Qian και οι συνεργάτες της ανέπτυξαν ένα σύστημα στο οποίο μια σειρά από κοντές, προκατασκευασμένες «δομικές μονάδες» DNA - με ή χωρίς ομάδες μεθυλίου - θα μπορούσαν να προστεθούν σε ένα δοχείο αντίδρασης για να σχηματίσουν μια αναπτυσσόμενη αλυσίδα DNA με τον σωστό δυαδικό κώδικα. Για την ανάκτηση των δεδομένων, οι ερευνητές χρησιμοποιούν μια τεχνική προσδιορισμού αλληλουχίας DNA, το οποίο μπορεί να ανιχνεύσει τις ομάδες μεθυλίου κατά μήκος του κλώνου του DNA. Τα αποτελέσματα μπορούν να ερμηνευθούν ως δυαδικός κώδικας, όπου η παρουσία μιας μεθυλομάδας αντιστοιχεί στο 1 και η απουσία αντιστοιχεί στο 0.

Πορτρέτο Panda στο DNA

Επειδή η τεχνική χρησιμοποιεί προκατασκευασμένα θραύσματα DNA, θα μπορούσε να βελτιστοποιηθεί περαιτέρω για να καταστεί δυνατή η μαζική παραγωγή, λέει ο Keung. Αυτό θα το καθιστούσε πολύ φθηνότερο από τη σύνθεση ενός εξατομικευμένου κλώνου DNA για κάθε κομμάτι πληροφορίας που θα αποθηκευτεί. Το επόμενο βήμα, λέει ο Keung, θα είναι να δούμε πόσο καλά κλιμακώνεται το σύστημα για να φιλοξενήσει μεγάλα σύνολα δεδομένων.

Ως ένα βήμα προς αυτή την κατεύθυνση, η Qian και οι συνάδελφοί της κωδικοποίησαν και διάβασαν τις οδηγίες για να δημιουργήσουν μια εικόνα μιας τίγρης από τη δυναστεία των Χαν στην αρχαία Κίνα και μια έγχρωμη εικόνα ενός πάντα μέσα σε ένα καταπράσινο τοπίο. Οι εικόνες κωδικοποιήθηκαν σε σχεδόν 270.000 1 και 0, ή «bits».

Προς το παρόν, το πεδίο πρέπει να μειώσει το κόστος για να μπορέσει να ανταγωνιστεί την ηλεκτρονική αποθήκευση δεδομένων, λέει ο Guise. «Η αποθήκευση DNA έχει ακόμη πολύ δρόμο να διανύσει μέχρι να γίνει εμπορικά σχετική», λέει. «Αλλά υπάρχει ανάγκη για ανατρεπτική τεχνολογία».

1. Zhang, C. et αϊ. Nature 634, 824–832 (2024).

   Αρθρο
   Google Scholar

Λήψη παραπομπών