Przechowywanie danych w DNA jest o wiele łatwiejsze niż ich odzyskiwanie

Ludzkość tworzy informacje w bezprecedensowym tempie — około 16 zetabajtów rocznie (zetabajt to miliard terabajtów). A ten wskaźnik rośnie. W zeszłym roku grupa badawcza IDC obliczyła, że ​​do 2025 roku będziemy produkować ponad 160 zetabajtów rocznie.

Wszystkie te dane muszą być przechowywane, w wyniku czego potrzebujemy znacznie gęstszej pamięci niż mamy dzisiaj. Intrygującym rozwiązaniem jest wykorzystanie struktury molekularnej DNA. Naukowcy od dawna wiedzą, że DNA można wykorzystać do przechowywania danych — w końcu przechowuje plan tworzenia poszczególnych ludzi i przekazuje go z pokolenia na pokolenie.

Dla informatyków imponująca jest gęstość danych przechowywanych w DNA: jeden gram może pomieścić mniej więcej zettabajt.

Ale nikt nie wymyślił realistycznego systemu przechowywania danych w bibliotece DNA, a następnie odzyskiwania ich ponownie, gdy jest to potrzebne.

Dziś to się zmienia dzięki pracy Federico Tavelli z Uniwersytetu w Padwie we Włoszech i jego współpracowników, którzy zaprojektowali i przetestowali właśnie taką technikę opartą na nanosieciach bakteryjnych.

Zasada jest prosta. Bakterie często przenoszą informację genetyczną w postaci maleńkich okrągłych pierścieni dwuniciowego DNA zwanych plazmidami. Cząsteczki te są ważne, ponieważ często przynoszą pewne korzyści komórce gospodarza, takie jak odporność na antybiotyki.

Co najważniejsze, bakterie mogą przenosić plazmidy z jednej komórki do drugiej w procesie znanym jako koniugacja. Jest to jeden ze sposobów, w jaki bakterie wymieniają informacje genetyczne, a proces ten w naturze tworzy fantastycznie złożoną nanosieć.

To podstawa nowej techniki. Tavella i spółka chcą wykorzystać tę nanosieć do przesyłania informacji, które genetycznie wprowadzili do plazmidów.

Pomysł polega na przechowywaniu danych w plazmidach wewnątrz komórek bakteryjnych, które są uwięzione w określonym miejscu. Aby odzyskać te informacje, naukowcy wysyłają ruchliwe bakterie w to miejsce, gdzie łączą się z uwięzionymi bakteriami i wychwytują plazmidy przenoszące dane. Wreszcie ruchliwe bakterie przenoszą te informacje do urządzenia, które ekstrahuje plazmidy i odczytuje dane, które zawierają.

Tavella i spółka przeprowadzili nawet eksperyment sprawdzający zasady, używając dwóch różnych szczepów E coli —HB101 i Novablue — które są odporne na różne antybiotyki. HB101 jest odporny na streptomycynę, podczas gdy Novablue ma plazmidy oporne na tetracyklinę. Novablue może przekazać tę oporność HB101 poprzez przeniesienie tych plazmidów podczas koniugacji.

To daje zespołowi kontrolę nad tym, gdzie bakterie mogą się rozwijać. Na przykład Novablue może przetrwać, gdy obecna jest tetracyklina, ale HB101 nie może — chyba że skoniuguje się z Novablue i nie uodporni się.

Tak więc pamięć prototypowa składa się z obszaru przechowywania danych, czytnika danych i łączącego je kanału przesyłania danych. Aby przechowywać dane, naukowcy kodują prostą wiadomość w opornych na tetracyklinę plazmidach przenoszonych przez bakterie Novablue. Zgodnie z tradycją przesłanie brzmi Hello World. Zawierają również barwnik fluorescencyjny w plazmidzie, dzięki czemu mogą monitorować jego ruch.

Na początek bakterie Novablue są umieszczane w obszarze przechowywania danych, skąd nie mogą uciec. W praktyce jest to płaska powierzchnia twardego agaru, która nie nadaje się do ruchliwości bakterii. W każdym razie zespół otacza to streptomycyną, która zabija Novablue.

Kanał przesyłania danych biegnie od źródła bakterii HB101 przez obszar przechowywania danych, a następnie w kierunku czytnika danych. Składa się z miękkiego agaru, który jest odpowiedni dla ruchliwości bakterii. A ponieważ HB101 jest odporny na streptomycynę, może przemieszczać się przez ten kanał ze względną łatwością.

Jednak obszar pomiędzy obszarem przechowywania danych a czytnikiem danych jest bogaty w tetracyklinę oraz streptomycynę. A to zapobiega przemieszczaniu się przez nią obu bakterii.

To, co dzieje się dalej, jest kluczowe. Bakterie HB101 wędrują do obszaru przechowywania danych, sprzęgają się z bakteriami Novablue i zbierają plazmidy przenoszące dane.

Ale to również daje im odporność na tetracyklinę. A to oznacza, że ​​po pobraniu danych mogą przejść przez kanał do czytnika danych. Następnie naukowcy wyodrębniają plazmidy i odczytują dane — Hello World. Dzięki barwnikowi fluorescencyjnemu mogą obserwować przepływ informacji w tej sieci.

Nie jest to do końca szybkie: bakterie HB101 potrzebują około 72 godzin na podróż przez kanał agarowy. Więc szybkości transmisji danych są podobne do ślimaka. Ale eksperyment pokazuje, jak w zasadzie może działać archiwum danych DNA.

Jest jeszcze jeden ważny element archiwum danych. W takim systemie będzie wiele miejsc przechowywania danych, a każda z nich będzie musiała być adresowalna. Innymi słowy, musi istnieć sposób, aby bakterie przesyłające dane mogły znaleźć każdą lokalizację.

Tavella i spółka również mają na to odpowiedź: molekularny system pozycjonowania, który jest analogiczny do Globalnego Systemu Pozycjonowania. Opiera się to na sygnalizatorach, z których każdy uwalnia substancję chemiczną, która przyciąga bakterie. Rzeczywiście, bakterie można zaprojektować tak, aby podążały tymi chemicznymi śladami.

Następnie, dzięki trzem różnym śladom chemicznym, możliwe jest triangulowanie pozycji w przestrzeni. Kiedy ruchliwe bakterie podążają wszystkimi trzema śladami, kończą w miejscu, w którym nakładają się wszystkie trzy sygnały chemiczne. Naukowcy twierdzą, że w symulacjach ten proces działa dobrze, ale muszą go jeszcze wypróbować w mokrym laboratorium.

Niemniej jednak praca jest interesującym krokiem w kierunku praktycznego przechowywania danych w oparciu o DNA. Nasze rozwiązanie umożliwia przechowywanie zakodowanych cyfrowo informacji w nieruchomych bakteriach, które tworzą archiwalną architekturę klastrów, a następnie ich odzyskiwanie przez zmodyfikowane ruchliwe bakterie, gdy tylko potrzebne są operacje odczytu, mówią Tavella i spółka.

A eksperyment sprawdzający zasadę pokazuje, jak to może działać. Przeprowadziliśmy eksperymenty w laboratoriach na mokro, które pokazują, jak nanosieci bakteryjne mogą skutecznie odzyskiwać prosty komunikat, taki jak „Hello World”, poprzez koniugację z nieruchliwymi bakteriami, a w końcu mobilizować się do ostatniego punktu, jak mówią.

Oczywiście przed nami wiele wyzwań. System pozycjonowania molekularnego jest interesujący, ale będzie musiał zostać przetestowany w laboratorium na mokro, aby zobaczyć, jak wszechstronny i praktyczny może być. Konieczne będzie zwiększenie szybkości transmisji danych. Nie będzie to możliwe dzięki zwiększeniu prędkości przemieszczania się bakterii, ale tempo można znacznie poprawić, zwiększając ilość danych przechowywanych przez każdy plazmid.

Wczesne dni dla potencjalnie ekscytującej techniki.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1801.04774 : System przechowywania molekularnego DNA: przesyłanie zakodowanych cyfrowo informacji przez nanosieci bakteryjne

ukryć