Объем накопленных человечеством данных растет лавинообразно, что ставит ребром вопрос ее хранения. В качестве решения все чаще рассматривается молекулярная память — например, на ДНК.
В Гонконгском политехническом университете пошли еще дальше и разработали белковую память. Там впервые реализовали полный цикл — от записи данных до их считывания — с помощью de novo синтезированных неестественных белков. Результаты экспериментов приведены в журнале Nature Communications.
Молекулярное хранение данных обычно работает так: двоичную информацию переводят в последовательности мономеров, которые затем можно расшифровать и считать. В ДНК, как известно, всего четыре типа нуклеотидов, к тому же сама молекула весьма нестойкая.
Ранее та же команда разработала память на пептидах. Она уже показала свои преимущества: пептиды могут состоять из 20 природных аминокислот и множества неприродных, что обеспечивает гораздо большую емкость хранения; кроме того, их можно оптимизировать для достижения высокой стабильности. Однако у пептидов короткие молекулярные цепочки, что ограничивает эффективность хранения, а производят их в основном недешевыми методами.
Куда эффективнее в роли носителя белки. Аминокислотные последовательности намного длиннее, вырабатываться могут живыми организмами, долго хранятся в виде порошка или раствора в не самых благоприятных условиях. Достаточно генетически закодировать клетку — и она начнет «штамповать ПЗУ» с записью. Проблема только со считыванием — секвенировать всю последовательность невероятно сложно.
Ученые встроили несущие данные аминокислотные последовательности в коллагеноподобный прочный каркас и экспрессировали этот белок с помощью генетически модифицированной E. coli. Для извлечения данных белки подвергали ферментативному расщеплению, а затем анализировали с помощью тандемной жидкостной хромато-масс-спектрометрии. Каждый пептид считали по отдельности, все объединили специально разработанным ПО, применили метод коррекции ошибок — и перевели в исходные цифровые данные.
«Как носители информации белки обладают множеством преимуществ перед ДНК и пептидами. В наших экспериментах плотность хранения на белках оказалась в 30 раз выше, а себестоимость — всего 10% от затрат на пептидный метод. Более того, если ДНК, хранившая данные, быстро деградирует в растворе или в сильной кислоте, то белки остаются пригодными для считывания в течение очень долгого времени — это демонстрирует их превосходную стабильность», — говорит профессор Яо Чжунпин, руководивший исследованием.
Разработчики оснастили белковую память криптографической защитой и возможностью произвольного доступа, присоединив к определенным участкам молекулы специфические аффинные метки, которые можно «вылавливать» соответствующими антителами.
«Присущая белкам стабильность, легкость сохранения и высокая емкость делают их превосходными носителями для долговременного хранения больших объемов информации. А их отличная биосовместимость даже открывает возможность хранить цифровые данные в живых организмах. В перспективе мы надеемся выйти на уровень массового хранения, ускорить запись и считывание, еще больше снизить стоимость производства белков, а также разработать разнообразные шаблоны для придания новых функций системам хранения данных на основе белков», — заключил профессор.
Создана кассета с ДНК-пленкой, вмещающая 36 петабайт данных
Разработан голографический способ хранения данных в трех измерениях
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX