Како да се „програмираат“ живи бактерии за да чуваат податоци

Човечки нервни клетки

„Ова е навистина добар чекор“, вели за Science, Сет Шипман, биоинженер од Универзитетот во Калифорнија, коментирајќи ја новата студија објавена на почетокот на јануари во списанието Nature Chemical Biology. Ова би можело да доведе и до комерцијален развој, но предупредува дека користењето живи бактерии за складирање податоци сепак и натаму е многу далеку од реална употреба од страна на обични луѓе.

Но, зошто воопшто би ги користеле живите бактерии и нивната ДНК, кога имаме толку многу хард и оптички дискови кои ни се на дофат? Авторите на студијата Robust direct digital-to-biological data storage in living cells објаснуваат дека уредите на актуелната технологија можат да станат нечитливи и практично неупотребливи кога ќе ги претекне новата технологија. Да се сетиме на флопи дискетите и магнетните ленти! Затоа истражувачите мислат дека електронското запишување на податоците во ДНК на живите бактерии нема наскоро да застари, ако и воопшто застари.

ДНК е атрактивна за чување податоци од повеќе причини. Прво, таа е 1 000 пати погуста од најкомпактните хард дискови, што ѝ овозможува да чува дури 10 филмови во полна должина на простор од зрно сол. Покрај тоа, ДНК сосема сигурно е најважниот концепт во биологијата и се очекува технологиите за читање и пишување со текот на времето да станат поевтини и помоќни.

Оригинална слика (лево) и слика реконструирана од бактерија (десно)

Идејата за користење ДНК за складирање податоци не е нова.

За да го направат тоа, истражувачите вообичаено претвораат датотека со податоци, односно нивната низа дигитални единици и нули, во комбинации на четири бази молекули: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Потоа користат ДНК синтетизатор за запишување на тој код во ДНК. Но, точноста на синтезата се намалува како што се зголемува должината на кодот, па истражувачите вообичаено ги расчленуваат своите датотеки на делови и ги запишуваат на исечоци од ДНК. Секој исечок добива индекс за да ја идентификува својата локација во датотеката, а потоа ДНК секвенцерите ги читаат исечоците за повторно да ја состават датотеката. Проблем со овој метод е што чини до 3 500 долари за да се синтетизираат информации од 1 мегабит. Освен тоа, со текот на времето ДНК може да се разгради.

За да создадат медиум кој е долготраен и полесен за кодирање, истражувачите сега работат на запишување податоци во ДНК на живи организми, кои ги копираат и пренесуваат своите гени на следната генерација. Тимот на Харис Вонг од Универзитетот Колумбија, во 2017 година почна да користи КРИСПР систем за едитирање гени за препознавање биолошки сигнал, како што е присуството на фруктоза. Кога истражувачите додале фруктоза во клетките на Ешерихија коли, експресијата на гените се зголемила во деловите од прстенестата ДНК наречени пламзиди. Потоа, КРИСПР компонентите - кои еволуирале за да ги штитат бактериите од вируси - го исецкале плазмидот со прекумерна експресија на делови и во нив ставиле одреден дел ДНК бактерија која „се сеќава“ на претходните вирусни освојувачи. Уфрлениот генетски елемент претставувал дигитален бит. Ако фруктозниот сигнал е отсутен, бактериите наместо тоа складирале случаен дел од ДНК, кој би бил дигитална нула. Секвенцирањето на ДНК на Ешерихија коли потоа открило дали бактеријата била изложена на фруктоза, преку единица или нула.

Сет Шипман

Бидејќи со користењето на овој пристап можело да се складираат само неколку битови податоци, Вонг и колегите го замениле системот за препознавање фруктоза со систем кој може да кодира подолги низи информации како што е електронскиот внес. Тие во Ешерихија коли вметнале серија гени кои на клетките им овозможиле да ја зголемат експресијата на плазмидите како одговор на електричниот напон. Како и кај опцијата во која е користена фруктозата, зголемувањето на експресијата довело до тоа дигиталната единица да се складира во ДНК бактериите. За да ги прочитаат единиците и нулите, истражувачите едноставно ги секвенцирале бактериите.

Користејќи го овој пристап, Вонг и колегите кодирале околу 72 бита податоци, за да ја напишат пораката „Здраво, свету!“

Вонг е согласен со оценката дека сè уште е рано за чување податоци во живи организми. „Нема да се натпреваруваме со моменталните системи за складирање меморија“, вели тој. Исто така, истражувачите ќе мора да смислат начини како да спречат нивните пораки да исчезнуваат или да се губат додека бактериите мутираат за време на репродукцијата.

Превод: Алек Кузмановски

Извор: http://elementarium.cpn.rs/