Дезоксирибонуклеиновая кислота, более известная как ДНК, — без преувеличения наиболее емкий носитель информации, известный человечеству на сегодняшний день. В теории, всего один грамм этого важнейшего биологического материала может содержать в себе примерно 455 эксабайт информации (свыше 100 млрд DVD-дисков).
В настоящее время ученые выработали два способа работы с ДНК, как с носителем данных. Первый заключается в создании искусственного ДНК: информация в цифровом виде транслируется в нужную последовательность нуклеотидов, которые затем синтезируются в ДНК. Именно таким способом в прошлом году исследователи Microsoft записали 200 МБ данных в образец синтетического ДНК размером с кончик карандаша, побив мировой рекорд.
Второй способ подразумевает использование довольно известной технологии CRISPR. Отметим, что CRISPR, в отличие от расхожих убеждений, — это, прежде всего, естественный биологический процесс. По сути, это группа белков, играющая у бактерий роль иммунитета. Когда вирус инфицирует бактерию, CRISPR вырезает фрагмент чужеродной ДНК и сохраняет его в геноме микроорганизма (при этом каждая новая запись упорядоченно хранится выше предыдущей). Столкнувшись с вирусом в следующий раз, бактерия уже сможет его узнать и защититься от него.
Этот механизм ученые позаимствовали около пяти лет назад (спустя более 20 лет после его открытия). И хотя 5 лет для науки в целом — срок совсем небольшой, но и немаленький для бурного революционного начала.
Сегодня исследователи используют CRISPR в качестве инструмента, позволяющего сосредоточиться на конкретной последовательности ДНК живого организма, чтобы удалить ее или дополнить. Так, в конце прошлого года китайские ученые впервые в мире внедрили пациенту с раком легких специфические клетки, модифицированные с помощью этого механизма.
Вместе с тем, для записи и считывания не биологической информации с ДНК эта технология ранее практически не использовалась, разве что единожды удалось задействовать ее при создании бактерии, которая запоминала информацию каждый раз, когда с ней происходило определенное событие. Благодаря этому ученые могли подсчитать, сколько раз что-то конкретное случалось с микроорганизмом, — но не более того.
Встроить, восстановить, повторить
Теперь же команде исследователей Гарвардского университета удалось не только записать в ДНК живого микроорганизма сообщение в виде простенького видео, но и затем его воссоздать.
Сообщается, что для этого ученые воспользовались технологией CRISPR/Cas9, которая позволила вставить в геном кишечной палочки нуклеотиды, соответствующие пикселям изображения.
Сначала в ДНК бактерии было встроено изображение человеческой руки, после чего его восстановили. Так ученые хотели убедиться, что они в принципе могут кодировать и извлекать изображения из ДНК микроорганизмов.
Затем исследователи приступили к основной части эксперимента и принялись кодировать в ДНК классическую анимацию, созданную Эдвардом Мейбриджем в XIX веке, состоящую из пяти кадров, изображающих скачущую лошадь.
Интересно, что на размещение одного кадра в геноме кишечной палочки у ученых уходил ровно один день.
Затем исследователи секвенировали готовый модифицированный геном бактерии и по нему восстановили анимацию.
Стоит отметить, что точность воспроизведения как вышеупомянутого изображения руки, так и анимации составила 90% — такие потери вполне допустимы, утверждают ученые.
При этом для успешного проведения эксперимента исследователям понадобилось изменить одинаковым образом и затем считать геном у около 600 000 микроорганизмов. Необходимость использования столь большого количества «подопытных кроликов» была обусловлена тем, что не все бактерии «позволяют» свободно редактировать свою ДНК.
«Не каждая клетка «воспринимает» целиком всю ту информацию, которую мы в нее вкладываем, — рассказывает автор исследования Сет Шипман, нейробиолог Гарвардской медицинской школы. — Таким образом, чем больше кишечных палочек мы используем, тем успешнее впоследствии пройдет восстановление данных».
К счастью, отмечают ученые, современные инструменты позволяют весьма быстро осуществлять секвенирование ДНК большого количества микроорганизмов.
Особое внимание исследователи обращают на то, что им удалось восстановить кадры анимации ровно в том порядке, в котором они были записаны, поскольку бактерии сохраняют новые записи четко выше предыдущих. Следственно, заложенная в ДНК микроорганизмов информация может быть воссоздана в точном порядке от начала и до конца, что делает бактерии практически идеальным хранилищем любой информации, даже видеороликов, для которых правильная последовательность кадров критически важна.
«По сути, нам удалось сделать то, над чем ученые ломали головы уже давно — с помощью технологии CRISPR мы превратили бактерию в полноценный физический носитель информации», — подытоживает результаты эксперимента Шипман.
Клетки-библиотекари
По словам исследователей, их открытие — это важная ступень на пути к технологиям записи информации с помощью молекулярной инженерии, вариантов использования которых — великое множество.
«Мы хотим сделать из клеток своего рода «историков», — объясняет Шипман. — Это будет биологическая система памяти, крохотная и при этом более гибкая, чем существующие сегодня технологии. Она сможет незаметно и безболезненно отслеживать все события, происходящие внутри организма с течением времени».
В ближайшем будущем исследователи намерены опробовать CRISPR в сфере медицины — прежде всего, для изучения мозга (по всей видимости, пока крысиного). По их словам, помещенные в него модифицированные клетки будут выполнять роль своеобразного «журнала событий», описывающего все то, что происходит с нейронами по мере их развития. Предполагается, что это даст ученым понимание того, каким образом клетки мозга дифференцируются.
«Мы хотим использовать измененные в CRISPR нейроны для регистрации молекулярной истории мозга, — рассказывает Шипман. — Такой молекулярный „магнитофон“ позволит нам собирать данные из каждой клетки. При этом нет необходимости иметь прямой доступ к мозгу».
Ученый отмечает, что на сегодняшний день отслеживать состояние нейронов в процессе их развития очень тяжело, так как практически нереально организовать прямой доступ в мозг, не нарушив его внутренний гомеостаз (т.е. саморегуляцию органа).
Помимо этого, CRISPR также можно будет использовать для фиксации изменений в геноме клеток, связанными с протеканием заболевания. По мнению исследователей, модифицированные клетки смогут практически в режиме реального времени записывать происходящие с ними события, например, экспрессию генов, вызванную болезнью.
«В результате, эту технологию можно будет использовать для моделирования заболеваний и даже для их лечения», — поясняет Шипман.
Мнение экспертов
Как ни странно, но критики благосклонно отнеслись к исследованию своих коллег.
«Эксперимент был проведен весьма добротно, — говорит Янив Эрлих из Колумбийского университета Нью-Йорка. — Соглашусь с тем, что в будущем возможность использовать живые клетки в качестве носителей информации будет очень и очень полезна».
При этом Эрлих добавляет, что CRISPR можно будет использовать не только в сфере медицины, но и в сфере хранения данных. По его мнению, если использовать для этого устойчивые к радиации микроорганизмы (например, Deinococcus radiodurans), то такое информационное хранилище переживет даже ядерную войну.
Но есть у CRISPR и недостаток, добавляет Эрлих. Прежде всего — это вероятность мутаций у микроорганизмов. Как известно, клетки — это живые существа, которые имеют свойство погибать. Конечно, так как хранящаяся информация расположена в геноме, бактерии смогут передавать ее по наследству, однако каждый акт размножения обусловлен определенными рисками, в том числе — риском мутации ДНК, которая может попросту уничтожить хранящиеся данные.
Впрочем, успокаивает ученый, если использовать для хранения информации большую популяцию клеток, то возможные мутации — вероятность которых не так велика, как может показаться на первый взгляд — в общей сложности не должны сильно повлиять на закодированную информацию.
Кроме этого, эксперт отмечает необходимость дальнейших исследований. Так, по его словам, на данный момент не ясно, как много информации может уместить в себе ДНК живой бактерии, особенно по сравнению с ДНК синтетическим.
Вместе с тем, напоследок заключает ученый, сейчас точно известно, что CRISPR значимо выигрывает у искусственного ДНК в том отношении, что позволяет не только хранить информацию, но также изменять или дополнять ее «на ходу» по прошествии времени.
Источники: New Scientist, Science Daily
Favbet Tech – это IT-компания со 100% украинской ДНК, которая создает совершенные сервисы для iGaming и Betting с использованием передовых технологий и предоставляет доступ к ним. Favbet Tech разрабатывает инновационное программное обеспечение через сложную многокомпонентную платформу, способную выдерживать огромные нагрузки и создавать уникальный опыт для игроков. IT-компания входит в группу компаний FAVBET.