Новое исследование демонстрирует потенциал систем хранения данных на основе ДНК
Исследование Университета Ньюкасла показывает, как можно превратить ДНК в экологичную по замыслу структуру данных, которая организует информацию подобно обычным компьютерам.
Команда из Школы вычислительной техники Университета Ньюкасла создала новые динамические структуры данных на основе ДНК, способные хранить и извлекать информацию упорядоченным образом из молекул ДНК. Учёные также проанализировали, как эти структуры могут взаимодействовать с внешними вычислительными схемами на нуклеиновых кислотах.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, представлена реализация структуры данных типа стек (LIFO — «последним пришёл — первым ушёл») с использованием ДНК-полимеров in vitro. Разработанная как система химических реакций ДНК, эта система способна:
- Записывать комбинации двух различных сигналов ДНК (0 и 1).
- Высвобождать сигналы в раствор в обратном порядке.
- Повторно записывать информацию.
Стек хранит и извлекает информационные нити ДНК в порядке LIFO, наращивая и укорачивая «полимеры» из одноцепочечных молекул ДНК (ssDNA). В будущем такая структура может быть встроена in vivo, например, для хранения матричных РНК (mRNA) и изменения временного порядка трансляционного ответа.
Профессор Наталио Красногор, руководитель исследования, отмечает: «Наша цивилизация жаждет данных, и эта жажда обработки информации оказывает сильное воздействие на окружающую среду. В последние годы ДНК показала себя как отличный носитель для хранения данных, являясь возобновляемым и устойчивым ресурсом. Мы хотели сделать первые шаги к экологичной молекулярной обработке информации на ДНК, выходящей за рамки простого хранения, — к её организации. Мы первые, кто продемонстрировал молекулярную реализацию этого ключевого компонента современной информационной эпохи».
Обработка информации на наноуровне
Доктор Аннунциата Лопикколо, соавтор исследования, поясняет: «ДНК может функционировать как четверичное (а не двоичное) хранилище данных. В нашей работе мы показали, что можно использовать этот четверичный код для создания читаемых входных и выходных данных в форме программируемых сигналов с линейной и организованной структурой. Наша работа расширяет знания в области обработки информации на наноуровне».
Доктор Гарольд Феллерманн добавляет: «Наша биомолекулярная структура данных, где и данные, и операции представлены короткими фрагментами ДНК, разработана с прицелом на биологические реализации. В принципе, такое устройство можно представить внутри живой клетки. Это позволяет привнести вычислительную мощность в области, недоступные для традиционных кремниевых технологий. В будущем такие структуры могут использоваться в экологическом мониторинге, биоремедиации, «зелёном» производстве и даже персонализированной наномедицине».
Доктор Бенджамин Ширт-Эдисс отмечает: «Вычислительная модель химии ДНК хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Она позволила изучить абсолютные пределы производительности ДНК-стека и предложить пути для улучшения».
Экспериментальная система ДНК-стека является доказательством принципа, что полимеризующая химия ДНК может использоваться как динамическая структура данных. Хотя для определения оптимальных способов архивации и доступа к данным на основе ДНК требуется больше исследований, работа подчёркивает огромный потенциал этой технологии для решения растущих потребностей в данных.