DNA jest jednym z najlepszych sposobów przechowywania informacji

Na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat naukowcy coraz częściej generują masowe ilości danych, a przy tak dużej ilości wydobywanych informacji, potrzeba efektywnego i bezpiecznego ich przechowywania nigdy nie była bardziej istotna. Chociaż komputery są wybitną metodą przechowywania danych, potrzeba nowych, bardziej wydajnych metod jest oczywista. Okazuje się, że jedna z nowszych metod jest jednocześnie jedną z najstarszych: kodowanie informacji w DNA.

Przekształcanie informacji w obiekty

W 2019 r. w pracy opublikowanej w Nature Biotechnology Julian Koch i jego współpracownicy z ETH Zürich opisali protokół, w którym informacja została zapisana w DNA, a następnie zamknięta w kapsułach krzemionkowych i wymieszana z polikaprolaktonem, biodegradowalnym termoplastycznym poliestrem.¹ Zamknięcie DNA przedłużyło jego żywotność i ochroniło przed degradacją w temperaturze pokojowej, natomiast informacje zakodowane w DNA zawierały wskazówki, jak wydrukować w 3D królika Stanforda - często wykorzystywanego jako testowa trójwymiarowa grafika komputerowa - przy użyciu nanocząsteczek. Aby to zrobić, zakodowali 12 000 oddzielnych oligonukleotydów DNA, które przechowywały 45kB danych potrzebnych do zbudowania królika, stosując schemat kodowania DNA zwany DNA Fountain, który konwertuje każdy 00, 01, 10 i 11 danych na zasady A, C, G i T i tworzy małe oligo "kropelki". Algorytm następnie przesiewa kropelki, aby upewnić się, że mają odpowiednie właściwości, takie jak niska zawartość GC i brak przebiegów homopolimerowych (np. AAAAAAAAAA), aby uniknąć błędów w syntezie lub sekwencjonowaniu. Większe oligo mogą być następnie zaprojektowane przy użyciu tych kropli.²

Ostatecznie wydrukowali 3D królika i użyli małego kawałka jego ucha, aby pobrać i zdekodować zapisaną w nim informację. Użyli PCR do amplifikacji DNA z kawałka królika, sekwencjonowali bibliotekę DNA za pomocą komórki przepływowej Illumina MiSeq i odzyskali oryginalne kropelki oligo. Następnie użyli algorytmu do konwersji danych z każdej kropli (A, C, G, T) z powrotem do jej oryginalnego kodu (00, 01, 10, 11).

(Źródło: Wired

)Podczas gdy ich królik reprezentuje interesujący sposób zachowania danych blueprint (naśladując to, co my, jako organizmy, robimy), który może pewnego dnia zostać rozwinięty w nową metodę przechowywania informacji medycznych w implantach medycznych lub dentystycznych, Koch et al znalazł jeszcze inne zastosowanie dla swojej technologii. Zamiast używać polikaprolaktonu, zakodowali 2-minutowe nagranie wideo z dokumentami znalezionymi w getcie warszawskim podczas Holokaustu, połączyli kapsułki z krzemionką DNA z pleksiglasem, uformowali je w kształt soczewki i umieścili w oprawce okularów. W ten sposób mogą ukryć wrażliwe informacje w przedmiotach codziennego użytku, które są kompatybilne z ich kapsułami DNA. Osoby chcące przechwycić dane niekoniecznie będą w stanie ocenić, gdzie są one ukryte, ponieważ obiekt wygląda dokładnie jak każda inna para okularów, a nawet gdyby wiedziały, gdzie ukryto informacje, nie byłyby w stanie rozróżnić miejsc wyżarzania, aby odpowiednio wzmocnić wiadomość.

Przechowywanie danych w żywych komórkach

Obiekty nieożywione nie są jedynymi rzeczami zdolnymi do przechowywania informacji zakodowanych przez DNA: żywe organizmy również mogą być zaprojektowane do przechowywania danych, które kodują filmy, muzykę i obrazy. Seth Shipman, pracujący obecnie na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco, opublikował w 2017 roku pracę, w której zakodował cyfrowy film w wielu pojedynczych oligosach.³

W tym przypadku oligosy zostały określone mianem "protospacerów" ze względu na ich zdolność do integracji z genomem bakterii E. coli za pomocą systemu CRISPR/Cas. W ich systemie każda klatka filmu była kodowana przez 104 protospacery, zawierające łącznie 2,6 kB danych. O kolejności klatek decydowała kolejność, z jaką protospacery były włączane do hodowli. Nowe odstępniki są zawsze nabywane bezpośrednio przy starych odstępnikach, więc Shipman i jego grupa byli w stanie rozróżnić ramki obserwując kolejność par odstępników w kulturach. Ostatecznie udało im się wyizolować i wzmocnić sekwencje, rekonstruując dokładnie ten sam film cyfrowy, który został włączony do kultury bakterii.

LabTAG firmy GA International jest wiodącym producentem wysokowydajnych, specjalistycznych etykieti dostawcą rozwiązań identyfikacyjnych stosowanych w laboratoriach badawczych i medycznych oraz w placówkach służby zdrowia.

Referencje:

1. Koch J, Gantenbein S, Masania K, Stark WJ, Erlich Y GR. A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory. Nat Biotechnol. 2019:1-7.
2. Erlich Y, Zielinski D. DNA Fountain enables a robust and efficient storage architecture. Science. 2017;355(6328):950-954.
3. Shipman SL, Nivala J, Macklis JD, Church GM. Kodowanie przez CRISPR-Cas cyfrowego filmu do genomów populacji żywych bakterii. Nature. 2017;547(7663):345-349.