Το DNA αποθηκεύει δεδομένα σε bits μετά από επιγενετική αναβάθμιση

Το DNA αποθηκεύει δεδομένα σε bits μετά από επιγενετική αναβάθμιση

Το DNA έχει περάσει εδώ και χιλιάδες χρόνια Προτιμώμενη εγκατάσταση αποθήκευσης δεδομένων της ανθρωπότητας. Σκληρό και συμπαγές, είναι τόσο πυκνό ότι ένα γραμμάριο είναι αρκετά δεδομένα για 10 εκατομμύρια ώρες υψηλής ανάλυσης βίντεο μπορεί να αποθηκεύσει.

Αλλά υπάρχει πάντα περιθώριο βελτίωσης.

Μια νέα μέθοδος καθιστά τώρα δυνατή την αποθήκευση πληροφοριών στο DNA ως δυαδικό κώδικα - το ίδιο 0s και 1s που χρησιμοποιούνται από τους συμβατικούς υπολογιστές. Αυτή η μέθοδος θα μπορούσε μια μέρα να είναι φθηνότερη και ταχύτερη από την κωδικοποίηση πληροφοριών στην ακολουθία των δομικών στοιχείων που αποτελούν το DNA, το οποίο χρησιμοποιείται σήμερα από τα κύτταρα και τις περισσότερες προσπάθειες για να το κάνει αυτό Αποθήκευση τεχνητά παραγόμενων δεδομένων αντιστοιχεί στη χρησιμοποιούμενη μέθοδο.

Η μέθοδος είναι τόσο απλή που 60 εθελοντές από διαφορετικά πεδία ήταν σε θέση να το χρησιμοποιήσουν για να αποθηκεύσουν το κείμενο της επιλογής τους. Πολλοί από αυτούς αρχικά δεν πίστευαν ότι η τεχνική θα λειτουργούσε, λέει ο Long Qian, ένας υπολογιστικός συνθετικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Peking στο Πεκίνο και ένας συγγραφέας της μελέτης 1, που περιγράφει την τεχνολογία.

"Μόλις είδαν την ακολουθία και πήραν τις σωστές γραμμές πίσω, άρχισαν να πιστεύουν ότι θα μπορούσαν πραγματικά να το κάνουν", εξηγεί. Η μελέτη δημοσιεύθηκε σήμερα στη φύση.

Σύντομος χώρος αποθήκευσης

Αυτή η τεχνική είναι μόνο μία από τις πολλές Προσπαθώντας να μετατρέψετε το DNA σε μια βιώσιμη εναλλακτική λύση στο παραδοσιακό, ηλεκτρονικές επιλογές αποθήκευσης Αυτό δεν μπορεί να συμβαδίσει με την αυξανόμενη παραγωγή δεδομένων στον κόσμο. «Φτάνουμε φυσικά όρια», λέει ο Nicholas Guise, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογικών Ερευνών της Γεωργίας στην Ατλάντα. "Και δημιουργούμε συνεχώς περισσότερα δεδομένα."

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

Ο πιο προφανής τρόπος για την αποθήκευση των πληροφοριών στο DNA είναι να εισαγάγετε τα δεδομένα στην ακολουθία DNA, μια διαδικασία που απαιτεί να συντεθεί από το μηδέν ένα κλώνο DNA από το μηδέν. Αυτή η προσέγγιση είναι αργή και πολλές τάξεις μεγέθους πιο ακριβές από την ηλεκτρονική αποθήκευση δεδομένων, εξηγεί ο Albert Keung, συνθετικός βιολόγος στο κρατικό πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας στο Raleigh.

Για να αναπτύξει έναν φθηνότερο, ταχύτερο τρόπο, ο Qian και οι συνάδελφοί της στράφηκαν προς αυτό "Epigenome" - μια ποικιλία μορίων που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για τον έλεγχο της γονιδιακής δραστηριότητας, χωρίς να τροποποιηθεί η ίδια η ακολουθία DNA. Για παράδειγμα μπορεί Οι λεγόμενες ομάδες μεθυλίου προστίθενται ή απομακρύνονται από το DNA να αλλάξουν τη λειτουργία τους.

Ο Qian και οι συνάδελφοί της ανέπτυξαν ένα σύστημα στο οποίο θα μπορούσαν να προστεθούν σε ένα δοχείο αντίδρασης για να σχηματίσουν ένα αναπτυσσόμενο κλώνο DNA με τον σωστό δυαδικό κώδικα. Για να ανακτήσουν τα δεδομένα, οι ερευνητές χρησιμοποιούν μια τεχνική προσδιορισμού αλληλουχίας DNA, η οποία μπορεί να ανιχνεύσει τις ομάδες μεθυλίου κατά μήκος του κλώνου DNA. Τα αποτελέσματα μπορούν να ερμηνευθούν ως δυαδικός κώδικας, όπου η παρουσία μιας ομάδας μεθυλίου αντιστοιχεί στο 1 και η απουσία αντιστοιχεί στο 0.

Πορτρέτο Panda στο DNA

Επειδή η τεχνική χρησιμοποιεί προ-κατασκευασμένα θραύσματα DNA, θα μπορούσε να βελτιστοποιηθεί περαιτέρω ώστε να επιτρέψει τη μαζική παραγωγή, λέει ο Keung. Αυτό θα το καθιστούσε πολύ φθηνότερο από το σύνολο ενός εξατομικευμένου κλώνου DNA για κάθε κομμάτι των πληροφοριών που πρέπει να αποθηκευτούν. Το επόμενο βήμα, λέει ο Keung, θα είναι να δούμε πόσο καλά κλιμακώνεται το σύστημα για να φιλοξενήσει μεγάλα σύνολα δεδομένων.

Ως βήμα προς αυτή την κατεύθυνση, ο Qian και οι συνεργάτες της κωδικοποίησαν και διαβάζουν τις οδηγίες για να δημιουργήσουν μια εικόνα μιας τίγρης από τη δυναστεία Han στην αρχαία Κίνα και μια έγχρωμη εικόνα ενός panda σε καταπράσινο πράσινο. Οι εικόνες κωδικοποιήθηκαν σε σχεδόν 270.000 1s και 0s, ή "bits".

Προς το παρόν, το πεδίο πρέπει να μειώσει το κόστος προτού να μπορέσει να ανταγωνιστεί την ηλεκτρονική αποθήκευση δεδομένων, λέει ο Guise. "Η αποθήκευση DNA εξακολουθεί να έχει πολύ δρόμο να προχωρήσει πριν να γίνει εμπορικά σχετική", λέει. "Αλλά υπάρχει ανάγκη για διαταραχή τεχνολογία."

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

   Αρθρο
   Google Scholar

Αναφορές λήψης