ДНК пластмассового кролика

Количество данных, которые нуждаются в хранении, стремительно растет. Поэтому внимание исследователей привлекает главный природный носитель информации — молекула ДНК. Этот носитель обладает уникальной плотностью записи информации (до 215 петабайт на грамм), а его срок хранения, как показали исследования древней ДНК, куда выше, чем обычно ожидают от органической молекулы. К тому же ДНК легко копировать. В совокупности эти свойства делают ее идеальным веществом для «внутренней памяти» любого материала.

Группа ученых под руководством Янива Эрлиха (Erlich Lab, Раанана, Израиль) и Роберта Грасса (факультет химии и прикладных биологических наук, Швейцарская высшая техническая школа Цюриха) создала архитектуру хранения информации под названием «ДНК вещей» (DNA-of-things, DoT). Для кодирования использовали стратегию DNA Fontain, которая, как утверждают разработчики, позволяет приблизиться к теоретическому максимуму сохраняемой информации на нуклеотид.

Молекулы ДНК, несущие информацию, заключают в частицы из диоксида кремния — так они лучше сохраняются и прекрасно смешиваются с пластиком. Подобный способ хранения продлевает срок жизни ДНК и облегчает ее выделение из материала, если возникнет такая необходимость.

В качестве проверки концепции исследователи воспроизвели ситуацию, существующую в живой природе, — ДНК объекта хранит информацию о нем самом. В качестве объекта выбрали Стенфордского Кролика — известную тестовую 3D модель для компьютерной графики, созданную еще в 1994 году. Файл с информацией, необходимой для стереолитографической печати Кролика, закодировали в ДНК (12 000 молекул длиной 145 нуклеотидов), амплифицировали их с помощью ПЦР, загрузили в наночастицы и смешали их с поликапролактоном — биодеградируемым полимером, имеющим низкую температуру плавления (59–64ºС). Концентрация ДНК в материале составляла 0,2 мг/кг (0,2 ppm), что намного меньше, чем в живых организмах. Из насыщенного информацией поликапролактона получили нити для 3D-печати и напечатали Стенфордского Кролика.

Эксперимент этим не кончился. От кролика отделили крошечный кусочек, около 10 мг материала, растворили пластик, извлекли из него наночастицы с ДНК, а ДНК из наночастиц экстрагировали с помощью буферного оксидного травителя. Весь процесс вместе с очисткой ДНК занял около 4 часов. Полученная библиотека содержала примерно 14 000 копий файла. После 10 циклов ПЦР-амплификации библиотеку секвенировали на портативном секвенаторе iSeq (Illumina), произвели декодирование и снова получили файл для 3D-печати Стенфордского Кролика.

На основе генетического материала «родительской» статуэтки исследователи изготовили трех «детенышей», также используя DoT-архитектуру. У одного из потомков отщипнули кусочек материала и повторили процесс заново. Всего произвели на свет пять поколений потомков, причем перед четвертым сделали девятимесячный перерыв, чтобы подтвердить хорошую сохранность ДНК в заданных условиях. Признаки постепенной потери носителя информации имели место, но в целом стратегия оказалась устойчивой. Теоретически из материала одного кролика можно создать 8,44*10¹⁹ копий. И хотя стоимость синтеза исходного файла на ДНК-носителе довольно велика ($2500), массовое производство, по подсчетам авторов работы, должно окупиться.

После того, как эксперименты показали, что ДНК в наночастицах выдерживает и более высокие температуры, авторы изготовили очки из плексигласа, ДНК в котором содержала двухминутный видеоролик. На прозрачности материала примесь наночастиц не сказалась, ничто не указывало на то, что очки являются хранилищем информации. Ролик был посвящен архиву Онег Шабат. Это знаменитое собрание свидетельств о жизни Варшавского гетто во время немецкой оккупации, часть которого была спрятана в молочных бидонах, авторы выбрали, кроме всего прочего, как пример стеганографии (тайной передачи или хранения информации, при котором скрывается сам факт передачи). Видеофайл также успешно удалось извлечь из материала.

По мнению авторов, технология DoT найдет множество применений. Например, в медицинских имплантах можно будет хранить информацию об их форме, уникальной для каждого пациента, и другие полезные медицинские сведения. Промышленная продукция будет содержать делокализованную метку, которую невозможно стереть или подделать, — есть много отраслей, где это критически важно. (А промышленные масштабы производства, как уже сказано, преодолеет проблему высокой цены первоначального синтеза ДНК.) Более того, непосвященный не сможет догадаться о присутствии информации, а если и узнает — не сможет ее извлечь, не имея последовательностей праймеров для ПЦР. В конце статьи авторы упоминают и о самореплицирующихся объектах: если когда-нибудь их начнут создавать, DoT-технология вполне подойдет для хранения нужных данных.

Один из руководителей работы, Янив Эрлих, известный своими работами в области биоинформатики, знаком читателям по его дискуссии с группой Крейга Вентера о ДНК-идентификации методом реконструкции черт лица. Мы задали ему несколько вопросов.

Доктор Эрлих, расскажите, пожалуйста, как у вас возникла идея примешать носители информации к пластику? Кто-нибудь говорил вам, что это невозможно?

Первоначальную идею я получил из обсуждения моей предыдущей работы над DNA Storage с моим родственником, промышленным дизайнером. Мы думали о некоторых случаях применения и обсуждали, как соединить цифровые фотографии с их печатной версией, закодировав jpeg-файл в ДНК и распылив ДНК на фото. Позднее я рассказал об этой идее Роберту [Грассу], который является экспертом по химии, и мы вместе преобразовали ее в нынешнюю форму замешивания ДНК в объект. Мы никогда не думали, что это невозможно. Наоборот — мы знали, что это достижимо!

Вы пока не думали о записи информации на ДНК-носитель в процессе эксплуатации объекта?

Мы могли бы это сделать, но еще не сейчас.