Американські вчені з Колумбійського університету в Нью-Йорку розробили технологію, що дозволяє копіювати інформацію з будь-якого цифрового носія безпосередньо в ДНК, фактично перетворюючи клітини живих організмів на мініатюрні пристрої для запису й зберігання даних.
Звичайно, вивчати таким чином бойові мистецтва в найближчому майбутньому навряд чи стане можливим, але у новій технології є маса інших застосувань.
Наприклад, якщо завантажити комп’ютерний код у ДНК якої-небудь кишкової палички, це ніяк не відіб’ється на її здатності до розмноження. А значить, такі “ожилі програми” можуть найприроднішим чином нескінченно штампувати власні копії в чашці Петрі, безперервно оновлюючи зашифрований в них код.
Іншими словами – тисячоліттями зберігати потрібну інформацію в майже незмінному вигляді.
Наразі нова технологія дуже поступається іншим, звичним методам зберігання даних – як за швидкістю, так і за обсягом записувальних пристроїв. Проте, за словами вчених, вона надійно захищена від помилок, адже система запису генетичної інформації – без жодного перебільшення – стара як саме життя.
Сама по собі технологія збірки ДНК не нова. Азотистих основ, з яких складається генетичний код, всього чотири. У лабораторних умовах їх можна збирати в ланцюжок, нанизуючи одну за іншою, як намисто, в довільному порядку.
Робиться це за допомогою технології CRISPR-Cas9, більш відомої як “генетичні ножиці”. Вона була розроблена вісім років тому, а минулого року відзначена Нобелівською премією з хімії.
Однак збірка генетичного коду на молекулярному рівні – робота копітка: вона вимагає часу і спеціального устаткування. У будь-якому разі так було до останнього часу, поки групі вчених з Колумбійського університету не вдалося автоматизувати цей процес.
“Нам вдалося навчити клітини розмовляти з комп’ютером за допомогою електронних сигналів і таким чином завантажувати інформацію з будь-якого електронного носія“, – розповідає BBC провідний автор дослідження, професор системної біології Гарріс Ванг (Harris Wang).
Досліди проводили в його лабораторії, з використанням кишкової палички E. coli. Ця бактерія настільки добре вивчена, що мікробіологи часто використовують її клітини у своїх експериментах як піддослідних кроликів.
Однак, наголошує професор, CRISPR чудово підходить і для редагування людського геному. А значить, можна сподіватися, що в майбутньому інформацію можна буде копіювати з комп’ютера безпосередньо в клітини людей.
“Двійковий код комп’ютерної програми (набір нулів і одиниць) ми переводимо в електричні імпульси, які надсилаємо в клітку, – пояснює винахідник. – На її поверхні є рецептори, які сприймають ці сигнали і вже перекладають їх мовою ДНК, автоматично вибудовуючи потрібну послідовність геному“.
В результаті до основного ланцюжка ДНК додається додатковий фрагмент – своєрідний “інформаційний причіп”. На відміну від цифрової комп’ютерної інформації, він є набором букв генетичного коду (тобто аналоговим шифром), тому вчений порівнює цей відрізок із магнітною стрічкою.
Зашита в ДНК бактерії інформація стає частиною її геному і автоматично копіюється при кожному діленні клітини.
“А це означає, що пізніше, прочитавши цю послідовність, ми зможемо відновити, відтворити інформацію, збережену в популяції клітин“, – стверджує професор.
Спочатку експеримент проводився для того, щоб автоматизувати складний процес збірки ДНК і зробити його доступнішим – таким, який не вимагатиме спеціальних знань і устаткування.
Однак, за словами професора Університету центральної Флориди в Орландо Дмитра Колпащікова, використовувати генетичний код для запису комп’ютерних програм досить дивно: для цього є інші, простіші та ефективніші способи.
“Щоб записати один біт інформації, в клітину посилали електричні сигнали протягом 14 годин, – дивується він. – Щоб знайти цій технології хоч якесь практичне застосування, процес необхідно значно прискорити. Але очевидних способів скоротити цей час немає: на запис одного біта буде йти в кращому випадку година, а то й кілька “.
В ході експерименту, що тривав 42 години, вченим вдалося записати в ДНК всього три біти інформації.
Але ж щоб зчитати цю інформацію в майбутньому, необхідно провести повну розшифровку бактеріальної ДНК – що при нинішньому рівні технологій, звичайно, не те щоб складно, але все ж вимагає значного часу і коштів: секвенування геному коштує недешево.
Професор Ванг каже, що в лабораторії процес сповільнювали спеціально, а щільність запису інформації в форматі ДНК теоретично може бути навіть вищою, ніж дозволяють наявні технології. Не кажучи вже про те, що клітинне будівництво навряд чи поступається за швидкістю цифровому запису.
“Час комп’ютерних операцій вимірюється в мілісекундах, але деякі клітинні ензими можуть працювати так само швидко, – запевняє він. – Можливо, в майбутньому ми зможемо розробити якісь внутрішньоклітинні механізми, які дозволять прискорити процес. Теоретично ніщо не заважає створити клітину, яка буде повністю копіювати свій геном за кілька хвилин“.
Однак, за словами Колпащікова, навіть у цьому випадку пропонований американцями метод навряд чи виявиться більш ефективним, ніж вже наявні сьогодні способи запису інформації. Тому навіть розвивати нову технологію особливого сенсу немає – якщо, звичайно, мова тільки про спосіб зберігання даних.
Однак їй цілком можна знайти інше застосування.
Штучно зібрані ланцюжки генетичного коду використовуються для найрізноманітніших цілей. Наприклад, в лабораторії, якою керує Колпащіков, з так званої комп’ютированої ДНК збирають наномашини для терапії ракових захворювань, грипу, а також проведення дослідів у галузі генної інженерії.
Якщо процес збирання вдасться автоматизувати і прискорити, то розроблена американцями технологія може виявитися вельми потрібною. Адже так чи інакше вона дозволяє встановити прямий канал передачі даних між звичними нам комп’ютерами та живими клітинами.
І хоча поки що канал цей і не найшвидший та найнадійніший, за словами професора Ванга, у нього є ще одна дуже важлива перевага.
“У ДНК інформація записана в тривимірному аналоговому вигляді, а це найбільш стійка форма. У такому вигляді дані можуть зберігатися сотні тисяч, а може й мільйони років“, – запевняє він.
Уже сьогодні іноді не так просто знайти спосіб, щоби зчитати дані з лазерного диска або магнітної стрічки, не кажучи вже про перфокартки.
Всі ці носії недовговічні, а будь-які технології швидко застарівають, нагадує професор. А ось генетичному коду ця проблема нестрашна.
Перфокартки або магнітні носії
“Ми знаємо, що і через 50 тисяч років зможемо розшифрувати ДНК рівно так само, як робимо це сьогодні, – впевнений Гарріс Ванг. – Яка ще форма запису на таке здатна?“
З цим Колпащіков не сперечається: “Фактично шляхом репродукції йде біологічна підтримка життєздатності бактерій – незважаючи на те, що там можуть накопичуватися помилки. В цілому, я згоден: це хороший аргумент”.
З приводу можливих помилок розробники налаштовані оптимістично. За їхніми словами, ніхто не збирається випускати бактерії з “інформаційним причепом” в зовнішнє середовище, де їм доведеться боротися за виживання – так що природний відбір їм не загрожує.
Професор Ванг не сперечається, що поки що технологія перебуває на початковому етапі розробки. В ідеалі потрібно якось автоматизувати і зворотний процес: зробити так, щоб клітина могла не тільки копіювати і зберігати інформацію, а й самостійно передавати її кудись. Тільки тоді вона навчиться повноцінно “розмовляти з комп’ютером” – не тільки слухати, а й відповідати.
Втім до цього, як визнає розробник, ще дуже і дуже далеко. Природа винайшла масу способів, що дозволяють створювати і змінювати генетичний код, а вчені тільки починають їх опановувати.
“Ми не боги, – посміхається професор, – Ми лише використовуємо ДНК для запису інформації. Отже, ми радше художники, або письменники, або програмісти – створюємо генетичні програми з якимось новим корисним функціоналом з уже готових елементів“.
Наступний крок, за його словами, – спростити спосіб передачі інформації з комп’ютера в клітину. Тепер для цього використовують потік електронів, але в майбутньому його можна замінити чимось іншим. Наприклад, змінним магнітним полем або температурою зовнішнього середовища. Або навіть звичайним променем світла – адже фоторецептори є у більшості живих організмів.
Тоді, мріє професор, копіювати інформацію в ДНК можна буде помітно швидше – адже запис можна одночасно вести одразу на кількох частотах.
Втім, у Дмитра Колпащікова є сумніви з приводу того, якою надійною буде така передача даних. За його словами, схожі технології (коли з одного джерела йде паралельний запис на хвилях різної довжини) вже використовують у медичній діагностиці. Але це, як він вважає, ще не найперспективніший напрямок.
“Чому в комп’ютерному коді використовується двійкова система – нулі і одиниці? Тому що це найнадійніший запис, – розмірковує експерт. – Якщо ми переходимо на інший рівень, то починають накопичуватися помилки. Саме тому в реальних приладах дуже складно піти від двійкової системи – ризик помилитися дуже великий “.
“Загалом, зберігання даних – не основний напрямок для технології комп’ютированої ДНК, – підсумовує він. – Це дійсно крок у бік. Яким успішним він буде, невідомо – але розробка ця, безумовно, цікава і незвичайна“.
