Ферментативный синтез делает возможным использование ДНК в качестве носителя информации

Согласно текущим оценкам, объем данных, производимых людьми и машинами, растет с экспоненциальной скоростью, а имеющиеся магнитные и оптические системы хранения данных в какой-то момент больше не смогут содержать этот быстрорастущий объем цифровых единиц и нулей. Выход видится в использовании ДНК в качестве хранилища данных, сообщает портал Phys.org.

ДНК – идеальный носитель информации, потому что она стабильна в течение сотен или тысяч лет, обладает исключительной плотностью информации, и ее информация может быть снова эффективно прочитана (декодирована) с помощью передовых методов секвенирования, которые постоянно становятся все дешевле. Исследователи уже давно научились генерировать последовательности ДНК, содержащие до 200 длин нуклеотидов, допуская при этом случайные ошибки. Правда, данный процесс медленный и сложный, а также он производит токсичные побочные продукты, что не согласуется с «чистой технологией хранения данных».

Ранее группа Джорджа Черча из Гарвардского института биологической инженерии Висса и Гарвардской медицинской школы (HMS) разработала подход к хранению ДНК, использующий ДНК-синтезирующий биологический фермент, известный как терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза (TdT), который, в принципе, может синтезировать гораздо более длинные последовательности ДНК и с меньшим количеством ошибок. Теперь же исследователи применили фотолитографические методы производства компьютерных микросхем для ферментативного синтеза ДНК и, таким образом, разработали новый метод мультиплексирования превосходной способности TdT к записи ДНК. В своем исследовании, опубликованном в Nature Communications, они продемонстрировали параллельный синтез 12 нитей ДНК с различными последовательностями на поверхности массива 1,2 квадратных миллиметра.

«Мы отстаиваем и интенсивно продвигаем использование ДНК в качестве среды для архивации данных, доступ к которой осуществляется нечасто, но с очень высокой емкостью и стабильностью. Наши и другие достижения позволили экспоненциально увеличивать объем цифровых данных, зашифрованных в ДНК», – сказал один из авторов разработки. «Это исследование и другие достижения в области ферментативного синтеза ДНК продвинут оболочку записи ДНК намного дальше и быстрее, чем химические подходы».

Хотя первая стратегия группы, использующая фермент TdT в качестве эффективного инструмента для синтеза ДНК и хранения цифровых данных, контролировала активность фермента TdT с помощью второго фермента, они показывают в своем новом исследовании, что TdT можно контролировать с помощью фотонов высокой энергии, из которых состоит УФ-свет. Важен высокий уровень контроля, так как фермент TdT должен быть проинструктирован добавлять только один одиночный или короткий блок, состоящий из одного из четырех нуклеотидных оснований A, T, G, C к растущей цепи ДНК с высокой точностью в каждом цикле процесса синтеза ДНК.

Используя специальный кодек, вычислительный метод, который кодирует цифровую информацию в код ДНК и снова его декодирует, который команда Черча разработала в своем предыдущем исследовании, исследователи закодировали первые два такта нотной записи «Тема над миром» из видеоигры Super Mario Brothers (1985) в 12 синтетических цепочках ДНК. Они сгенерировали эти нити на матричной матрице с поверхностью размером всего 1,2 квадратных миллиметра путем удлинения коротких «праймерных» последовательностей ДНК, которые были удлинены по схеме 3x4, с использованием их фотолитографического подхода.

«Мы применили тот же фотолитографический подход, который используется в индустрии компьютерных микросхем, для производства микросхем с электрическими схемами, построенными с нанометровой точностью для записи ДНК», – сказал первый автор Ховон Ли, доктор философии, научный сотрудник группы Черча. «Это обеспечивает ферментативный синтез ДНК с потенциалом беспрецедентного мультиплексирования при производстве цепей ДНК, кодирующих данные».

Фотолитография, как и фотография, использует свет для переноса изображений на подложку, чтобы вызвать химические изменения. Промышленность компьютерных микросхем уменьшила этот процесс и в качестве подложки использует кремний вместо пленки. Теперь команда Черча адаптировала возможности индустрии чипов в своем новом подходе к написанию ДНК, заменив кремний на матрицу, состоящую из микрофлюидных клеток, содержащих короткие последовательности праймеров ДНК. Чтобы контролировать синтез ДНК в праймерах, расположенных в шаблоне 3x4, команда направила луч УФ-света на динамическую маску (как это делается при производстве компьютерных микросхем). Маска же, по сути, является шаблоном шаблона 3x4, в котором синтез ДНК активируется – и уменьшает узорчатый луч на другой стороне маски с помощью оптических линз до размера матрицы.

«УФ-свет, отраженный от рисунка маски, точно попадает в целевую область удлинения праймера и высвобождает ионы кобальта, которые необходимы ферменту TdT для функционирования, за счет разрушения светочувствительной« клеточной »молекулы, которая защищает ионы от TdT», – объяснил соавтор Дэниел Виганд, научный сотрудник Института Висса. «К тому времени, когда УФ-свет выключается и фермент TdT снова дезактивируется с избытком каркасных молекул, он добавляет одно нуклеотидное основание или гомополимерный блок одного из четырех нуклеотидных оснований к растущим последовательностям праймеров».

Этот цикл можно повторять несколько раз, при этом в каждом цикле только одно из четырех нуклеотидных оснований или гомополимер определенного нуклеотидного основания добавляется к матрице. Кроме того, избирательно закрывая определенные отверстия маски во время каждого цикла, фермент TdT добавляет только одно конкретное нуклеотидное основание к праймерам ДНК, где оно активируется УФ-светом, что позволяет исследователям полностью программировать последовательность нуклеотидов.

«Фотонно-направленный мультиплексный ферментативный синтез ДНК на этой недавно оснащенной инструментами платформе может быть доработан, чтобы обеспечить более высокое автоматическое мультиплексирование с улучшенными ферментами TdT и, в конечном итоге, сделать хранение данных на основе ДНК значительно более эффективным, быстрым и дешевым», – сказал еще соавтор, доктор философии Ричи Кохман, ведущий старший научный сотрудник в области синтетической биологии Висса.

«Этот новый подход к ферментно-управляемому синтетическому синтезу ДНК, разработанный командой Черча, представляет собой образец биоинженерии, сочетающий в себе мощность репликации ДНК с одним из наиболее контролируемых и надежных производственных методов, разработанных человечеством – фотолитографией – для обеспечения решения, которое приближает нас к цели – использование ДНК в качестве носителя данных», - сказал директор-основатель института Висс Дон Ингбер.