Хранение информации в ДНК: весь YouTube в одной чайной ложке
Исследователи из Техниона–Израильского технологического института и Междисциплинарного центра (IDC) в Герцлии продемонстрировали значительное повышение эффективности процесса записи цифровой информации в ДНК.
В статье, опубликованной в Nature Biotechnology, группа показала возможность хранения информации с плотностью более 10 петабайт (10 миллионов гигабайт) в одном грамме ДНК, одновременно значительно улучшив процесс записи. Теоретически такая плотность позволяет хранить весь объем информации с YouTube в объеме одной чайной ложки.
Исследование провел студент факультета компьютерных наук Техниона Леон Анави под руководством профессора Зоара Яхини. Работа велась в сотрудничестве с лабораторией синтетической биологии профессора Рои Амита.
Почему это важно?
Объем цифровой информации растет колоссальными темпами. Современные центры обработки данных (серверные фермы) ответственны за ~2% глобальных выбросов углерода (сопоставимо с авиаперевозками) и ~3% мирового потребления электроэнергии (больше, чем потребляет Великобритания). Технология хранения в ДНК предлагает решение: кардинальную миниатюризацию, долгосрочное хранение (в тысячи раз дольше) и нулевые затраты энергии на поддержание данных.
Как это работает?
Основная идея — кодирование двоичной последовательности (0 и 1) в последовательность "букв" ДНК: нуклеотидов A, C, G, T. Затем, в процессе синтеза, создаются реальные молекулы ДНК с этой последовательностью. Для чтения данные секвенируются, и последовательность нуклеотидов переводится обратно в двоичный код.
В чем прорыв?
Исследователям удалось решить три ключевые задачи:
- Увеличение "алфавита": Используя новые "буквы" — уникальные комбинации исходных нуклеотидов (A, C, G, T), — команда увеличила эффективное количество символов для кодирования. Это похоже на создание новых цветов из базовых.
- Сокращение циклов синтеза: Метод использует избыточность процессов синтеза и секвенирования (каждая молекула производится и читается во множестве копий). Это позволило сократить количество необходимых циклов синтеза на 20%, а в перспективе — на 75%, что удешевляет и ускоряет запись.
- Улучшение коррекции ошибок: Разработаны специальные коды исправления ошибок, адаптированные под новую систему кодирования, чтобы преодолеть неизбежные ошибки биолого-физических процессов.
Практическая демонстрация
В лаборатории профессора Амита хранится пробирка с ~10 нанограммами ДНК, в которые записаны тысячи копий двуязычной версии Библии.
Перспективы
По словам исследователей, эта технология имеет потенциал для оптимизации других процессов в синтетической биологии и биотехнологии, и в ближайшие годы следует ожидать роста использования синтетической ДНК в науке и промышленности.