ДНК: новые технологии сохранения информации

  Всем известно, что практически у всех живых организмов генетическая информация хранится в молекулах ДНК (только у некоторых вирусов – в её родственнице, РНК). ДНК способна к самокопированию (редупликации), так потомки получают от предков наследственную информацию о том, какими они должны  в этой жизни быть.

  Но чтобы записать на ДНК-носителе какую-нибудь «необычную» с точки зрения природы-матушки информацию, не слишком ли дерзкое решение? А почему б и нет? Именно так подумали учёные и не только подумали, но и успешно закодировали книгу, в которой содержится около 53 тысячи слов и 11 фотографий. Мало, скажут некоторые. Да, вроде бы и мало. Но вспомним: первые лампы накаливания в лабораториях Эдисона тоже горели мало, где-то 1-2 часа. Первые дискеты (гибкие диски), первые винчестеры (жёсткие диски), первые CD-диски – все они тоже вмещали мало информации…. Но теперь мы видим, что из этого получилось. Так вот, технология записи и хранения информации на молекулах ДНК вполне перспективна, и такие информационные носители вполне могут обычные электронные догнать и обогнать.

  Собственно, «ДНК-хранители» уже давным-давно догнали и обогнали эти обычные носители, ещё несколько миллиардов лет назад. Но пока, правда, только внутри клеточных ядер живых организмов. Однако учёные-исследователи к этому факту присмотрелись…. И тоже решили попробовать. И вот, в формате ДНК-кода – книга и фотографии! Исследователи утверждают: такая технология очень скоро станет дешевле обычных цифровых носителей. Да, пока это ещё дорогой процесс, но затраты на технику ДНК-кодирования снижаются настолько быстро, что где-то в течение примерно 5-10 ближайших лет метод сравнится по цене и даже станет дешевле.  

  Действительно, дезоксирибонуклеиновая кислота, которая хранит указания и инструкции живых организмов и человека в том числе, для хранения информации имеет внушительный потенциал. Каждая молекула ДНК содержит огромное количество атомов углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора, которые объединяются в звенья на основе азотистых оснований, сáхара-дезоксирибозы и ортофосфорной кислоты. Эти звенья (нуклеозиды), соединяясь в цепочку, и образуют молекулу ДНК. Их четыре вида, и вот последовательность их как раз и определяет то, какая информация будет закодирована. Сама молекула – носитель миниатюрный и в пространстве может так завертеться-изогнуться, что любой носитель «позавидует» её компактности. В результате чего один грамм ДНК-носителя способен вмещать до 455 миллиардов гигабайт. А это уже не мало. Ведь это – более 100 миллиардов DVD-дисков. Данный факт делает такой носитель идеальным.

  Профессор Джордж Чёрч, стоящий во главе команды исследователей из Гарвардской медицинской школы, смогла доказать, что данная технология, хоть и медленно, но всё же приближается к сфере практического применения. Да, пока всего 5,27 мегабит и на запись ушло несколько дней, но это больше всего того, что было записано таким образом ранее, более чем в 650 раз. Шрирам Косури заверил: в развитии архивного записывания и хранения данных это очень важный шаг; время записи при этом постоянно сокращается.

  Но преимущества ДНК-носителей перед традиционными носителями не исчерпываются тем, что у них большая вместимость. Информация, записанная на ДНК, легко копируется и может быть легко прочтена и через десять лет, и через десять тысяч лет хранения носителя в далеко неидеальных условиях. И, в отличие от «обычных» электронных и неэлектронных форматов хранения различных данных (магнитные кассетные ленты, компакт-диски и прочие), которые постоянно меняются, технология и основные методы записи и чтения такой информации – стары, как и сама жизнь на планете Земля.

  Учёные использовали компоненты и оборудование собственной разработки для того, чтобы продемонстрировать новую технику записи.

  Чтобы обеспечить максимальную надёжность метода и снизить затраты, учёные избегали создания слишком длинных последовательностей кода. Ведь легче и дешевле создавать короткие цепочки. Данные разбиваются на отдельные фрагменты, которые компактно и надёжно записываются. Для облегчения поиска необходимой информации создаются специальные каталоги и адресные книги.

  Цифровая информация традиционно хранится в формате двоичного кода. Это, как известно, единицы и нули. А ДНК даёт возможность записи в формате четверичного кода. Дело в том, что отдельные звенья (нуклеозиды) отличаются по их азотистым основаниям, а их всего четыре: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Всё же, чтобы свести к минимуму возможные ошибки при записи, команда профессора Чёрча пока решила использовать двоичный код: аденин и цитозин у них в коде обозначают нули, а гуанин и тимин – единицы. Таким образом, и ДНК «довольна» – все основания используются, и компьютерные технологии кардинально менять не придётся – код останется двоичный.

  Команда разработала такую систему: струйный принтер синтезирует короткие цепочки-гены на стеклянной пластинке. Каждый такой фрагмент имеет адресный код, который обозначает  положение его в исходном файле. У учёных уже есть надёжная техника, позволяющая прочитывать код даже такой ДНК, которая «провалялась» в пластах геологических пород миллионы лет. Что уж тут говорить о свежих образцах ДНК!

  Итак, ДНК – весьма компактный трёхмерный носитель информации, с которым не сравнятся никакие другие, известные на сегодняшний день, носители, даже такие перспективные, как позиционируемые атомы на поверхности сверхтонких материалов: они, по существу, тоже двухмерны.

  Проводимые исследовательские работы  с живыми организмами связаны не были, так как это было бы сопряжено с рисками удаления «ненужных» генов, мутаций и непредвиденным ходом биохимических реакций. Ошибки при записи были, но они минимальны. Да, впереди – препятствия и трудности, но впереди и величайший успех.