Zapis danych na DNA może być 350 razy szybszy

W jednym gramie DNA można przechowywać setki milionów gigabajtów danych. Jednak technologia, która to umożliwia wymaga jeszcze dopracowania. Przechowywanie danych w DNA jest możliwe od lat, ale kodowanie informacji w ten sposób to bardzo żmudny proces. Każda cząsteczka DNA musi zostać zsyntetyzowana "od zera" po zaprojektowaniu jej w celu zakodowania określonego fragmentu informacji.

Zespołowi Long Qian z Uniwersytetu Pekińskiego udało się przyspieszyć proces kodowania w DNA setki razy, naśladując naturalny proces biologiczny, który napędza ekspresję genów (https://doi.org/10.1038/s41586-024-08040-5). Dalszy rozwój metody może doprowadzić technologię do etapu praktycznych zastosowań. Naukowcom udało się zakodować ogromne ilości informacji, w tym obrazy, w tempie setki razy szybszym niż było to możliwe wcześniej.

Zespół przekształcił długie pasma DNA w kod binarny, sekwencję jedynek i zer, która jest używana w komputerach do przechowywania danych. Zaczęli od prefabrykowanych szablonów DNA, które służyły jako baza, na którą dodawali krótsze pasma DNA, podobnie jak nawleka się koraliki na sznurek. Następnie użyli reakcji chemicznej, aby dodać grupę metylową (CH3), która jest cząsteczką zbudowaną z węgla i wodoru, do niektórych z tych "koralików".

Metylowane "koraliki" stają się jedynkami kodu binarnego, a niemetylowane służą jako zera. W warunkach naturalnych komórki wykorzystują ten sam proces metylacji, aby modyfikować DNA bez zmiany podstawowej sekwencji, co pozwala im na stabilne przechowywanie dodatkowych warstw informacji regulacyjnych.

Qian i jej współpracownicy opracowali sposób wykonywania tego procesu wiele razy w danej chwili, równolegle, dodając specjalny "kod kreskowy" do każdego szablonu. Pozwoliło to zapisać jednocześnie 350 jednostek informacji, czyli bitów, na próbce DNA - setki razy więcej niż poprzedni standard, który polegał na zapisywaniu tylko jednego bitu na raz.

Jako obrazy testowe naukowcy zapisali obraz pandy i wizerunek tygrysa ze starożytnych Chin, a następnie odzyskali je za pomocą sekwencera DNA wspomaganego algorytmem korekcji błędów. Odzyskane obrazy zostały odtworzone z dokładnością 97 procent lub większą.

Proces był na tyle prosty, że 60 studentów-wolontariuszy mogło ćwiczyć przechowywanie tekstu w próbkach DNA, korzystając z zestawów do samodzielnego wykonania, które zawierały prosty sprzęt chemiczny do reakcji metylacji i program komputerowy, który tłumaczył ich słowa na kod.

Chociaż wolontariusze nie byli wcześniej szkoleni do pracy z DNA, wskaźniki błędów w ich procesie kodowania były mniejsze niż 2 proc. Według Qian może to doprowadzić do powstania biurkowych drukarek DNA lub zestawów do przechowywania danych, które mogą służyć do użytku domowego lub w małych organizacjach, umożliwiając użytkownikom tworzenie kopii zapasowych ważnych danych osobowych, takich jak dokumenty prawne lub zdjęcia cyfrowe, w formie, która może przetrwać stulecia.

Zdaniem ekspertów technologia oparta na DNA może być szczególnie przydatna do przechowywania archiwalnego, zwłaszcza że metody odczytu DNA najprawdopodobniej będą z czasem coraz doskonalsze.

Paweł Wernicki