ДНК можно использовать для надежного хранения огромного количества цифровых данных. Однако поиск или манипулирование конкретными данными, закодированными в этих молекулах, до сих пор было затруднено. Теперь исследователи из CNRS, ESPCI Paris-PSL и Токийского университета стали пионерами в применении нового метода, использующего ферменты, предлагая первые подсказки о том, как можно преодолеть эти технические препятствия. Об их выводах сообщается в Nature 20 октября 2022 года.
Природа, бесспорно, изобрела лучшее решение для хранения огромного количества данных: ДНК. Это понимание вдохновило на использование ДНК для хранения цифровых данных, преобразования двоичных (0 или 1) чисел в одну из четырех различных «букв» ДНК (A, T, C или G).
Но как найти конкретное данное в библиотеке информации, хранящейся в виде ДНК? И как можно производить расчеты с данными, закодированными в ДНК, напрямую, без предварительного преобразования их обратно в электронные данные? На эти вопросы пытались ответить команды из исследовательских лабораторий LIMMS (CNRS/Токийский университет) и Gulliver (CNRS/ESPCI Paris-PSL). Они тестируют новый подход с использованием ферментов и применяют решения искусственных нейронов и нейронных сетей для прямых операций с данными ДНК.
В частности, исследователи использовали реакции трех ферментов для создания химических «нейронов», которые воспроизводят сетевую архитектуру и способность к сложным вычислениям, характерные для настоящих нейронов. Их химические нейроны могут выполнять вычисления с данными о цепях ДНК и выражать результаты в виде флуоресцентных сигналов.
Команды LIMMS и Gulliver также внедрили инновации, собрав два слоя искусственных нейронов для уточнения вычислений. Точность еще больше повышается за счет микрожидкостной миниатюризации реакций, что позволяет проводить десятки тысяч реакций.
Плод десятилетнего сотрудничества между французскими биохимиками и японскими микрофлюидными инженерами, эти прорывы могут в конечном итоге позволить улучшить скрининг определенных заболеваний, а также манипулировать гигантскими базами данных, закодированными ДНК.
Вдали от воды, воздуха и света ДНК может сохраняться в течение сотен тысяч лет без каких-либо затрат энергии. А в капсуле диаметром несколько сантиметров он может вместить до 500 терабайт цифровых данных. Ожидается, что к 2025 году общий объем цифровых данных, генерируемых людьми, достигнет 175 зеттабайт1.
Поскольку современные носители данных относительно громоздки, хрупки и энергоемки, ДНК может стать жизнеспособной альтернативой, способной хранить все существующие данные в объеме обувной коробки. Облегчение хранения ДНК будет целью PEPR MoleculArxiv, приоритетной исследовательской программы, предоставленной в мае прошлого года CNRS.
