Что нужно для практического применения ДНК-чипов в качестве носителей информации
Молекула ДНК способна хранить огромные объёмы информации в течение длительного времени в очень малом объёме. Учёные уже около 10 лет работают над созданием ДНК-чипов для компьютерных технологий, например, для долгосрочного архивирования данных. Такие чипы превосходили бы традиционные кремниевые по плотности хранения, долговечности и экологичности.
Информация кодируется в ДНК специфической последовательностью четырёх её азотистых оснований. Для создания чипа такую ДНК необходимо синтезировать и стабилизировать. При успешной реализации информация может сохраняться тысячи лет. Считывание данных происходит путём автоматического прочтения и декодирования последовательности оснований.
Какие проблемы предстоит решить
«То, что хранение цифровых данных в ДНК с высокой ёмкостью и долгим сроком службы возможно, было неоднократно продемонстрировано в последние годы, — говорит профессор Томас Дандекар. — Но стоимость хранения высока, около 400 000 долларов США за мегабайт, а извлечение информации происходит медленно: от часов до дней в зависимости от объёма данных».
Для повышения применимости и коммерческой жизнеспособности ДНК-носителей эти проблемы необходимо преодолеть. Подходящими инструментами для этого являются светоконтролируемые ферменты и программное обеспечение для проектирования белковых сетей. Об этом Томас Дандекар и его коллеги Аман Акаш и Елена Бенцурова пишут в обзоре в журнале Trends in Biotechnology.
Исследователи уверены, что у ДНК есть будущее в качестве носителя данных. В статье показано, как комбинация молекулярной биологии, нанотехнологий, новых полимеров, электроники и автоматизации, а также систематическая разработка могут сделать ДНК-хранилища пригодными для повседневного использования уже через несколько лет.
ДНК-чипы из наноцеллюлозы
В Вюрцбургском университете команда Дандекара разрабатывает ДНК-чипы из полупроводящей, производимой бактериями наноцеллюлозы. «Нашим доказательством концепции мы показываем, как современная электроника и компьютерные технологии могут быть частично заменены молекулярно-биологическими компонентами», — говорит профессор.
Это позволит достичь устойчивости, полной перерабатываемости, высокой устойчивости даже к электромагнитным импульсам или сбоям питания, а также высокой плотности хранения — до одного миллиарда гигабайт на грамм ДНК.
Томас Дандекар считает разработку ДНК-чипов крайне важной. «Как цивилизация мы продержимся в долгосрочной перспективе, только если совершим скачок в эту новую устойчивую компьютерную технологию, сочетающую молекулярную биологию с электроникой и новой полимерной технологией», — заявил он.
По его словам, для человечества важно перейти к циркулярной экономике в гармонии с планетарными границами и окружающей средой. «Нам нужно достичь этого за 20–30 лет. Технологии чипов — важный пример, но устойчивые технологии их производства без электронных отходов и загрязнения окружающей среды ещё не созрели. Наша концепция чипа из наноцеллюлозы вносит ценный вклад в это».
В настоящее время команда работает над улучшением интеграции ДНК-чипов из полупроводящей наноцеллюлозы с разработанными ими дизайнерскими ферментами. Ферменты также нуждаются в дальнейшем совершенствовании. Цель — добиться лучшего контроля над ДНК-носителем, увеличить его ёмкость, снизить стоимость и шаг за шагом обеспечить практическое использование в повседневной жизни.