Datu glabāšana DNS ir daudz vienkāršāka nekā to izņemšana atpakaļ

Cilvēce rada informāciju bezprecedenta ātrumā — aptuveni 16 zetabaitus katru gadu (cetabaits ir viens miljards terabaitu). Un šis rādītājs pieaug. Pagājušajā gadā pētniecības grupa IDC aprēķināja, ka līdz 2025. gadam mēs katru gadu saražosim vairāk nekā 160 zettabaitus.

Visi šie dati ir jāsaglabā, un rezultātā mums ir nepieciešama daudz blīvāka atmiņa nekā šobrīd. Viens intriģējošs risinājums ir izmantot DNS molekulāro struktūru. Pētnieki jau sen ir zinājuši, ka DNS var izmantot datu glabāšanai — galu galā tā saglabā projektu atsevišķu cilvēku radīšanai un nodod to no vienas paaudzes uz nākamo.

Datorzinātniekus iespaido DNS uzkrāto datu blīvums: vienā gramā var ietilpt aptuveni zettabaits.

Taču neviens nav izdomājis reālistisku sistēmu datu glabāšanai DNS bibliotēkā un pēc tam to izgūšanai vēlreiz, kad tas ir nepieciešams.

Mūsdienās tas mainās, pateicoties Federiko Tavelas Padujas Universitātē Itālijā un kolēģu darbam, kuri ir izstrādājuši un pārbaudījuši tieši šādu tehniku, kuras pamatā ir baktēriju nanotīkli.

Princips ir vienkāršs. Baktērijas bieži pārnēsā ģenētisko informāciju sīku divpavedienu DNS apļveida gredzenu veidā, ko sauc par plazmīdām. Šīs molekulas ir svarīgas, jo tās bieži piešķir saimniekšūnai priekšrocības, piemēram, rezistenci pret antibiotikām.

Būtiski, ka baktērijas var pārnest plazmīdas no vienas šūnas uz otru procesā, kas pazīstams kā konjugācija. Tas ir viens no veidiem, kā baktērijas apmainās ar ģenētisko informāciju, un process dabā veido fantastiski sarežģītu nanotīklu.

Tas ir jaunās tehnikas pamats. Tavella un co vēlas izmantot šo nanotīklu, lai pārsūtītu plazmīdās informāciju, ko viņi ir ģenētiski modificēti.

Ideja ir uzglabāt datus plazmīdās baktēriju šūnās, kas ir iesprostoti noteiktā vietā. Lai iegūtu šo informāciju, pētnieki nosūta kustīgās baktērijas uz šo vietni, kur tās konjugējas ar notvertajām baktērijām un uztver datu nesošās plazmīdas. Visbeidzot, kustīgās baktērijas pārnes šo informāciju uz ierīci, kas ekstrahē plazmīdas un nolasa to nestos datus.

Tavella un co ir pat veikuši principa pierādījuma eksperimentu, izmantojot divus dažādus E. coli — HB101 un Novablue —, kas ir rezistenti pret dažādām antibiotikām. HB101 ir izturīgs pret streptomicīnu, savukārt Novablue ir pret tetraciklīnu rezistentas plazmīdas. Novablue var nodot šo rezistenci HB101, pārnesot šīs plazmīdas konjugācijas laikā.

Tas dod komandai kontroli pār to, kur baktērijas var augt. Piemēram, Novablue var izdzīvot, ja ir tetraciklīns, bet HB101 nevar, ja vien tas nav konjugēts ar Novablue un nav kļuvis izturīgs.

Tātad prototipa atmiņa sastāv no datu uzglabāšanas zonas, datu lasītāja un datu pārraides kanāla, kas tos savieno. Lai saglabātu datus, pētnieki kodē vienkāršu ziņojumu pret tetraciklīnu rezistentajās plazmīdās, ko pārnēsā Novablue baktērijas. Saskaņā ar tradīciju vēstījums ir Hello World. Tie plazmīdā ietver arī fluorescējošu krāsvielu, lai viņi varētu uzraudzīt tās kustību.

Sākumā Novablue baktērijas tiek ievietotas datu glabāšanas zonā, kur tās nevar izkļūt. Praksē tā ir līdzena cieta agara virsma, kas nav piemērota baktēriju kustībai. Jebkurā gadījumā komanda to ieskauj ar streptomicīnu, kas nogalina Novablue.

Datu pārsūtīšanas kanāls darbojas no HB101 baktēriju avota visā datu uzglabāšanas zonā un pēc tam uz datu lasītāju. Tas sastāv no mīksta agara, kas ir piemērots baktēriju kustībai. Un tā kā HB101 ir izturīgs pret streptomicīnu, tas var pārvietoties pa šo kanālu samērā viegli.

Tomēr apgabals starp datu glabāšanas zonu un datu lasītāju ir bagāts ar tetraciklīnu, kā arī streptomicīnu. Un tas neļauj abām baktērijām pārvietoties pa to.

Tas, kas notiks tālāk, ir galvenais. HB101 baktērijas pārvietojas uz datu glabāšanas zonu, konjugējas ar Novablue baktērijām un paņem datus nesošās plazmīdas.

Bet tas viņiem arī rada rezistenci pret tetraciklīnu. Un tas nozīmē, ka, kad viņi ir paņēmuši datus, viņi var pārvietoties pa kanālu uz datu lasītāju. Pēc tam pētnieki ekstrahē plazmīdas un nolasa datus - Hello World. Viņi var vērot, kā informācija plūst pa šo tīklu, pateicoties fluorescējošajai krāsai.

Tas nav gluži ātri: HB101 baktērijām ir nepieciešamas aptuveni 72 stundas, lai pārvietotos pa agara kanālu. Tātad datu pārraides ātrums ir līdzīgs gliemežam. Taču eksperiments parāda, kā principā varētu darboties DNS datu arhīvs.

Ir vēl viens svarīgs datu arhīva elements. Šādā sistēmā datu glabāšanas vietu būs daudz, un katrai no tām būs jābūt adresētai. Citiem vārdiem sakot, ir jābūt veidam, lai datu pārsūtīšanas baktērijas varētu atrast katru vietu.

Tavella un co arī uz to ir atbilde: molekulārā pozicionēšanas sistēma, kas ir analoga globālajai pozicionēšanas sistēmai. Tas balstās uz bākugunīm, no kurām katra izdala ķīmisku vielu, kas piesaista baktērijas. Patiešām, baktērijas var konstruēt tā, lai tās sekotu šīm ķīmiskajām takām.

Pēc tam ar trīs dažādām ķīmiskajām takām ir iespējams triangulēt pozīciju telpā. Kad kustīgās baktērijas seko visām trim takām, tās nonāk vietā, kur pārklājas visi trīs ķīmiskie signāli. Pētnieki saka, ka simulācijās šis process darbojas labi, taču viņiem tas vēl ir jāizmēģina mitrā laboratorijā.

Tomēr darbs ir interesants solis ceļā uz praktisku DNS datu glabāšanu. Mūsu risinājums ļauj saglabāt digitāli kodētu informāciju nekustīgās baktērijās, kas veido klasteru arhīvu arhitektūru, un vēlāk to izgūt inženierijas kustīgās baktērijas ikreiz, kad ir nepieciešamas lasīšanas darbības, saka Tavella un citi.

Un principa pierādījuma eksperiments parāda, kā tas varētu darboties. Mēs esam veikuši slapjās laboratorijas eksperimentus, kas parāda, kā baktēriju nanotīkli var efektīvi izgūt vienkāršu ziņojumu, piemēram, “Sveika pasaule”, konjugējot ar nekustīgām baktērijām, un visbeidzot mobilizēties uz gala punktu, viņi saka.

Protams, priekšā ir daudz izaicinājumu. Molekulārā pozicionēšanas sistēma ir interesanta, taču tā būs jāpārbauda mitrā laboratorijā, lai redzētu, cik tā var būt daudzpusīga un praktiska. Un datu pārraides ātrums būs jāpalielina. Tas nebūs iespējams, palielinot baktēriju ceļošanas ātrumu, taču ātrumu varētu ievērojami uzlabot, palielinot katras plazmīdas uzkrāto datu apjomu.

Agrās dienas potenciāli aizraujošai tehnikai.

Atsauce: arxiv.org/abs/1801.04774 : DNS molekulārās uzglabāšanas sistēma: digitāli kodētas informācijas pārsūtīšana caur baktēriju nanotīkliem

paslēpties