Биологическая камера BacCam: новая парадигма хранения данных в ДНК живых клеток
Впервые создана «биологическая камера», которая обходит ограничения современных методов хранения данных в ДНК, используя живые клетки и их внутренние биологические механизмы для кодирования и хранения информации. Это прорыв в кодировании и хранении изображений непосредственно в ДНК, создающий новую модель хранения информации, аналогичную цифровой камере.
Исследование под руководством доцента Чуэ Лу Пу из Колледжа дизайна и инженерии Национального университета Сингапура (NUS) и NUS Synthetic Biology for Clinical and Technological Innovation (SynCTI) было опубликовано в Nature Communications 3 июля 2023 года.
Решение проблемы перегрузки данными
Глобальный объем данных, оценивавшийся в 33 зеттабайта (ZB) в 2018 году, к 2025 году, по прогнозам, достигнет 175 ZB. Это стимулирует поиск альтернативных методов хранения, преодолевающих ограничения традиционных технологий и снижающих экологический след ресурсоемких дата-центров.
ДНК привлекает внимание как носитель информации благодаря исключительной плотности хранения, стабильности и долговечности. Один грамм ДНК может вместить более 215 000 терабайт данных — эквивалент 45 миллионам DVD.
«ДНК также легко манипулировать с помощью современных инструментов молекулярной биологии, её можно хранить в различных формах при комнатной температуре, и она настолько долговечна, что может сохраняться веками», — отмечает аспирант Ченг Кай Лим.
Однако текущие исследования сосредоточены на синтезе цепочек ДНК вне клеток, что дорого, требует сложных приборов и подвержено ошибкам.
Принцип работы BacCam
Чтобы преодолеть это узкое место, команда использовала живые клетки, где обилие ДНК служит готовым «банком данных», устраняя необходимость во внешнем синтезе.
Была разработана система BacCam, объединяющая биологические и цифровые методы для имитации функций цифровой камеры.
«Представьте ДНК внутри клетки как непроявленную фотоплёнку, — объясняет Пу. — Используя оптогенетику — метод управления активностью клеток с помощью света, аналогичный затвору камеры, мы смогли «запечатлеть» изображения, импринтируя световые сигналы на ДНК-«плёнку»».
Затем, применяя методы штрих-кодирования (аналогичные маркировке фотографий), исследователи пометили захваченные изображения для уникальной идентификации. Алгоритмы машинного обучения использовались для организации, сортировки и реконструкции сохранённых изображений. Эти процессы вместе составляют «биологическую камеру», зеркально отражающую этапы захвата, хранения и извлечения данных в цифровой камере.
Результаты и перспективы
Исследование продемонстрировало способность камеры захватывать и хранить несколько изображений одновременно с использованием света разного цвета. Ключевое преимущество новой системы — её легкая воспроизводимость и масштабируемость по сравнению с предыдущими методами.
«Наша работа представляет собой важную веху в интеграции биологических систем с цифровыми устройствами. Используя силу ДНК и оптогенетических цепей, мы создали первую «живую цифровую камеру», которая предлагает экономичный и эффективный подход к хранению данных в ДНК. Мы надеемся, что это заложит основу для дальнейших инноваций в записи и хранении информации», — заключил Пу.