Поиск данных в ДНК с помощью CRISPR
Цифровая эпоха привела к взрывному росту данных всех видов. Традиционные методы хранения данных, такие как жесткие диски, сталкиваются с проблемами из-за ограниченной емкости. Растущий спрос на хранение данных делает альтернативные носители все более популярными и необходимыми.
ДНК — одно из перспективных решений для хранения данных благодаря своей физической плотности, долговечности и способности к шифрованию. Любая информация, которую можно сохранить на жестком диске (тексты, изображения, звуки, фильмы), может быть преобразована в последовательности ДНК.
Однако, хотя ДНК — многообещающее решение для удовлетворения спроса на хранение данных, поиск информации внутри цепочки ДНК может быть громоздким и сложным.
«Архивирование информации в синтетической ДНК стало привлекательным решением для работы со взрывным ростом данных в современном мире. Однако количественный поиск данных, хранящихся в ДНК, по-прежнему остается проблемой», — говорит Чанчунь Лю, профессор кафедры биомедицинской инженерии в UConn Health.
В журнале Nature Communications Лю и команда исследователей открыли способ простого и эффективного поиска данных, хранящихся в ДНК, с использованием поисковой системы на основе кластеризованных регулярно чередующихся коротких палиндромных повторов (CRISPR).
В статье Лю представляет Search Enabled by Enzymatic Keyword Recognition (SEEKER), которая использует CRISPR-Cas12a для количественной идентификации ключевого слова в файлах, хранящихся в ДНК.
«ДНК — перспективный носитель для хранения данных из-за своей стабильности и высокой информационной плотности. Теоретически один грамм ДНК может хранить 215 петабайт данных — объем данных примерно 100 миллионов фильмов. Подобно жесткому диску, который хранит информацию в бинарных битах данных, ДНК хранит информацию в последовательностях четырех нуклеотидных оснований — аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G).
«Развитие технологий синтеза ДНК и секвенирования нового поколения превращает хранение данных в ДНК в реальность», — поясняет Джонгю Чжан, аспирант лаборатории Лю и первый автор статьи.
Лю использовал свой опыт в технологии CRISPR, чтобы помочь найти лучшее решение для поиска внутри цепочки ДНК.
CRISPR — это приобретенный иммунный механизм, который может идентифицировать специфическую инфекционную последовательность ДНК в клетке, переполненной мешающими генами, подобно поиску ключевого слова в базе данных.
SEEKER, использующий CRISPR, быстро генерирует видимую флуоресценцию (свечение), когда присутствует целевая последовательность ДНК, соответствующая искомому ключевому слову. SEEKER способен успешно выполнять количественный текстовый поиск, поскольку скорость роста интенсивности флуоресценции пропорциональна частоте встречаемости ключевого слова.
В статье исследователи успешно идентифицировали ключевые слова в 40 файлах на фоне примерно 8000 нерелевантных терминов.
«В целом, SEEKER предоставляет количественный подход для проведения параллельного поиска — включая поиск метаданных — по всему содержимому, хранящемуся в ДНК, с простой реализацией и быстрой генерацией результатов», — объясняет Лю.