Wyobraź sobie „Cello Suite No. 1” Bacha granego na nici DNA.
Ten scenariusz nie jest tak niemożliwy, jak się wydaje. Zbyt mały, aby wytrzymać rytmiczne brzdąkanie lub przesuwaną cięciwę, DNA jest potężnym narzędziem do przechowywania plików audio i wszelkiego rodzaju innych mediów.
„DNA to oryginalny system przechowywania danych natury. Możemy go używać do przechowywania wszelkiego rodzaju danych: obrazów, filmów, muzyki – wszystkiego” – powiedział Kasra Tabatabaei, naukowiec z Beckman Institute for Advanced Science and Technology i współautor tego badania. badanie.
Poszerzenie struktury molekularnej DNA i opracowanie nowej, precyzyjnej metody sekwencjonowania umożliwiło wieloinstytucjonalnemu zespołowi przekształcenie podwójnej helisy w solidną, zrównoważoną platformę do przechowywania danych.
Artykuł zespołu ukazał się w Nano Letters w lutym 2022 roku.
W dobie informacji cyfrowych każdy, kto ma odwagę przeglądać codzienne wiadomości, czuje, że globalne archiwum z dnia na dzień staje się coraz cięższe. Coraz częściej pliki papierowe są digitalizowane w celu zaoszczędzenia miejsca i ochrony informacji przed klęskami żywiołowymi.
Od naukowców po osoby mające wpływ na media społecznościowe, każdy, kto ma informacje do przechowywania, może skorzystać z bezpiecznej, zrównoważonej skrzynki do przechowywania danych – a podwójna spirala pasuje do rachunku.
„DNA jest jedną z najlepszych opcji, jeśli nie najlepszą, szczególnie do przechowywania danych archiwalnych” – powiedział Chao Pan, absolwent University of Illinois Urbana-Champaign i współautor tego badania.
Jego długowieczność rywalizowana tylko z trwałością, DNA jest zaprojektowane tak, aby przetrwać najtrudniejsze warunki na Ziemi – czasami przez dziesiątki tysięcy lat – i pozostać opłacalnym źródłem danych. Naukowcy mogą sekwencjonować skamieniałe nici, aby odkryć historie genetyczne i tchnąć życie w dawno utracone krajobrazy.
Pomimo swojej drobnej postury, DNA jest trochę jak niesławna policyjna skrzynka doktora Who: większa w środku, niż się wydaje.
„Każdego dnia w Internecie generowanych jest kilka petabajtów danych. Tylko jeden gram DNA wystarczyłby do przechowywania tych danych. Tak gęste jest DNA jako nośnik danych” – powiedział Tabatabaei, który jest również doktorantem piątego roku. D. student.
Innym ważnym aspektem DNA jest jego naturalna obfitość i prawie nieskończona odnawialność, cecha, której nie podziela najbardziej zaawansowany system przechowywania danych na dzisiejszym rynku: mikroczipy krzemowe, które często krążą przez zaledwie dekady przed bezceremonialnym pochówkiem na stercie wyrzuconych na wysypisko śmieci. -marnować.
„W czasach, gdy stoimy w obliczu bezprecedensowych wyzwań klimatycznych, nie można przecenić znaczenia zrównoważonych technologii przechowywania. Pojawiają się nowe, ekologiczne technologie rejestrowania DNA, które sprawią, że przechowywanie molekularne będzie jeszcze ważniejsze w przyszłości” – powiedziała Olgica Milenkovic, Franklin. W. Woeltge Profesor Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej oraz współkierownik studiów.
Przewidując przyszłość przechowywania danych, interdyscyplinarny zespół zbadał tysiącletni MO w DNA. Następnie naukowcy dodali własny zwrot XXI wieku.
W naturze każda nić DNA zawiera cztery substancje chemiczne – adeninę, guaninę, cytozynę i tyminę – często określane przez inicjały A, G, C i T. Układają się i przestawiają wzdłuż podwójnej helisy w kombinacje, które naukowcy może dekodować lub sekwencjonować, aby nadać sens.
Naukowcy rozszerzyli i tak już szeroką pojemność przechowywania informacji DNA, dodając siedem syntetycznych zasad nukleinowych do istniejącego czteroliterowego zestawu.
„Wyobraź sobie alfabet angielski. Gdybyś miał do użycia tylko cztery litery, mógłbyś utworzyć tylko tyle słów. Jeśli miałbyś pełny alfabet, mógłbyś tworzyć nieograniczone kombinacje słów. To samo z DNA. Zamiast konwertować zera i jedynki na A, G, C i T, możemy zamienić zera i jedynki na A, G, C, T i siedem nowych liter w alfabecie pamięci” – powiedział Tabatabaei.
Ponieważ zespół ten jest pierwszym, który używa chemicznie zmodyfikowanych nukleotydów do przechowywania informacji w DNA, członkowie wprowadzili innowacje wokół unikalnego wyzwania: nie wszystkie obecne technologie są w stanie zinterpretować chemicznie zmodyfikowane nici DNA. Aby rozwiązać ten problem, połączyli uczenie maszynowe i sztuczną inteligencję, aby opracować pierwszą w swoim rodzaju metodę przetwarzania odczytu sekwencji DNA.
Ich rozwiązanie może odróżnić zmodyfikowane chemikalia od naturalnych i odróżnić od siebie każdą z siedmiu nowych molekuł.
„Próbowaliśmy 77 różnych kombinacji 11 nukleotydów, a nasza metoda była w stanie doskonale odróżnić każdy z nich” – powiedział Pan. „Struktura głębokiego uczenia w ramach naszej metody identyfikacji różnych nukleotydów jest uniwersalna, co umożliwia uogólnienie naszego podejścia do wielu innych zastosowań”.
To perfekcyjne tłumaczenie jest zasługą nanoporów: białek z otworem pośrodku, przez który może łatwo przejść nić DNA. Co ciekawe, zespół odkrył, że nanopory mogą wykrywać i rozróżniać każdą pojedynczą jednostkę monomeru wzdłuż nici DNA – niezależnie od tego, czy jednostki mają pochodzenie naturalne czy chemiczne.
„Ta praca stanowi ekscytującą demonstrację słuszności zasad rozszerzania przechowywania danych makromolekularnych na chemię nienaturalną, która może drastycznie zwiększyć gęstość przechowywania w nietradycyjnych nośnikach pamięci” – powiedział Charles Schroeder, James Economy Professor of Materials. Science and Engineering oraz współkierownik tego badania.
DNA dosłownie przeszło do historii, przechowując informacje genetyczne. Wygląda na to, że przyszłość przechowywania danych jest równie podwójna.
Dodatkowymi współpracownikami UIUC są Aleksiej Aksimentiew, Centrum Biofizyki i Biologii Ilościowej; oraz Alvaro Hernandez, Centrum Biotechnologii im. Roya J. Carvera. Instytucje partnerskie obejmują Uniwersytet Massachusetts w Amherst i Uniwersytet Stanforda. Pełną listę współpracowników i ich przynależności można znaleźć w opublikowanej pracy.