Ферментативный синтез ДНК под светом
Объём данных, создаваемых людьми и машинами, растёт экспоненциально, удваиваясь каждые два года. Существующие магнитные и оптические системы хранения данных могут не справиться с этим потоком и не способны хранить информацию без деградации дольше века.
Одно из решений этой глобальной проблемы — использование ДНК, природной системы хранения информации, в качестве носителя цифровых данных. Исследователи уже кодируют цифровую информацию в четырёхбуквенный код ДНК (нуклеотидные основания A, T, G, C). ДНК — идеальный носитель: она стабильна сотни и тысячи лет, обладает чрезвычайно высокой плотностью записи, а информацию можно эффективно считывать (декодировать) с помощью современных и постоянно дешевеющих методов секвенирования.
Отстаёт возможность записи (кодирования) информации в ДНК. Программируемый синтез синтетических последовательностей ДНК до сих пор в основном осуществляется с помощью химического «фосфорамидитного метода», которому уже несколько десятилетий. Он включает множество этапов, генерирует последовательности длиной лишь до ~200 нуклеотидов, допускает ошибки и производит экологически токсичные побочные продукты.
Ранее команда Джорджа Чёрча из Висского института биологически инспирированной инженерии Гарварда и Гарвардской медицинской школы (HMS) разработала первый подход к хранению данных в ДНК с использованием биологического фермента — терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазы (TdT). В принципе, этот фермент может синтезировать гораздо более длинные последовательности ДНК с меньшим числом ошибок.
Теперь исследователи применили методы фотолитографии из индустрии компьютерных чипов к ферментативному синтезу ДНК и разработали новый метод для мультиплексирования (параллельного выполнения) превосходной способности TdT к «записи» ДНК. В исследовании, опубликованном в Nature Communications, они продемонстрировали параллельный синтез 12 цепей ДНК с разными последовательностями на поверхности массива площадью 1,2 квадратных миллиметра.
«Мы выступаем за использование ДНК в качестве архивирующей среды для данных, к которым обращаются редко, но которая обладает очень высокой ёмкостью и стабильностью. Прорывы, сделанные нами и другими, позволили добиться экспоненциального роста объёма цифровых данных, зашифрованных в ДНК», — сказал автор-корреспондент Джордж Чёрч.
В то время как первая стратегия команды контролировала активность фермента TdT с помощью второго фермента, в новом исследовании они показали, что TdT можно контролировать с помощью высокоэнергетических фотонов УФ-света. Высокий уровень контроля необходим, чтобы фермент TdT добавлял к растущей цепи ДНК только одно нуклеотидное основание (A, T, G или C) или короткий блок из одного типа оснований за каждый цикл синтеза.
Используя специальный кодек (вычислительный метод кодирования и декодирования информации в ДНК), разработанный в предыдущем исследовании, учёные закодировали первые два такта нотной записи темы «Overworld Theme» из видеоигры Super Mario Brothers™ 1985 года для Nintendo Entertainment System (NES) в 12 синтетических цепей ДНК. Они сгенерировали эти цепи на матрице-массиве площадью всего 1,2 мм², наращивая короткие «праймерные» последовательности ДНК, расположенные в виде сетки 3x4, с помощью своего фотолитографического подхода.
«Мы применили тот же фотолитографический подход, который используется в индустрии компьютерных чипов для производства схем с нанометровой точностью, для записи ДНК», — сказал первый автор Хауон Ли, Ph.D.
Фотолитография, как и фотография, использует свет для переноса изображения на подложку, чтобы вызвать химическое изменение. Команда Чёрча адаптировала возможности индустрии чипов, заменив кремниевую подложку своей матрицей, состоящей из микрофлюидных ячеек, содержащих короткие ДНК-праймеры. Чтобы контролировать синтез ДНК в праймерах, расположенных в паттерне 3x4, команда направила луч УФ-света на динамическую маску (по сути, трафарет паттерна 3x4) и с помощью оптических линз уменьшила размер проецируемого паттерна до размера массива.
«УФ-свет, отражённый от маски, точно попадает в целевые области для наращивания праймера и высвобождает ионы кобальта, необходимые ферменту TdT для работы, разрушая светочувствительную "клеточную" молекулу, которая экранирует ионы от TdT», — пояснил соавтор Дэниел Виганд. «К тому времени, когда УФ-свет выключается, а фермент TdT снова деактивируется избытком клеточных молекул, он уже добавил одно нуклеотидное основание или гомополимерный блок из одного из четырёх оснований к растущим праймерным последовательностям».
Этот цикл можно повторять многократно, причём в каждом раунде к матрице добавляется только один из четырёх типов нуклеотидов или гомополимер определённого нуклеотида. Кроме того, избирательно закрывая определённые отверстия маски в каждом цикле, исследователи могут программировать, куда именно добавляется конкретное основание, что позволяет полностью задать последовательность нуклеотидов в каждой из синтезируемых цепей.
«Фотон-направленный мультиплексированный ферментативный синтез ДНК на этой новой инструментальной платформе можно развивать для достижения гораздо более высокой степени автоматизированного мультиплексирования с улучшенными ферментами TdT и, в конечном итоге, сделать хранение данных на основе ДНК значительно более эффективным, быстрым и дешёвым», — сказал соавтор-корреспондент Ричи Коуман, Ph.D.