Кишечный чип

Создано запоминающее устройство на основе ДНК. Впервые для записи, хранения и перезаписи данных были использованы гены живого существа.

Группа биоинженеров из Стэнфордского университета – Джером Боннет, Пакпум Субсунторн и Дрю Энди – сообщила о создании первого перезаписываемого и энергонезависимого модуля цифровой памяти на основе ДНК. В устройстве используется технология обратимой инверсии (разворачивания на 180 градусов) определенных участков ДНК с помощью энзимов рекомбиназы – белков, разрезающих, переворачивающих и рекомбинирующих участки ДНК.

Статья «Накопление и перезапись цифровых данных в живых клетках посредством управляемой рекомбинации» с описанием устройства опубликована в ночь на вторник по московскому времени в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Созданная в Стэнфорде ячейка ДНК-памяти оперирует генетическим эквивалентом бита – базового двоичного кода, принимающего два взаимоисключающих значения: если участок ДНК сориентирован в одну сторону, фиксируется условный «ноль», если в другую – условная «единица».

Устройство, записывающее и стирающее информацию, представляет собой комбинацию двух клонированных вирусных энзимов – интегразы и эксцизионазы, – позаимствованных у бактериофага Bxb1 (вируса, использующего для репликации своего генома ДНК бактерий). Запись информации осуществлялась на ДНК кишечных палочек.

Под действием интегразы участки ДНК палочек со встроенным «флюоресцентным» геном разрезались, разворачивались на 180 градусов (инвертировались) и «зашивались» обратно в хромосому, и под фиолетовой лампой бактерии начинали светиться красным («единица»). Под действием одновременно интегразы и эксцизионазы (кофактора) участок возвращался в исходную позицию, и бактерии светились зеленым («ноль»). Эти операции не приводили к гибели или вырождению бактерий и были обратимыми, то есть информацию на их ДНК можно было записывать и перезаписывать много раз. Таким образом, используя алгоритм «адресации данных с помощью рекомбиназы», получивший название «модуля RAD» (recombinase addressable data module), можно модифицировать участки ДНК – записывать, стирать и опять записывать биты на одних и тех же хромосомах.

Чтобы уверенно управлять ДНК-ячейкой, необходимо точно контролировать режимы взаимодействия двух факторов и кофакторов рекомбиназы (интегразы и эксцизионазы), действующих разнонаправленно. Известно, как модифицировать нужный участок ДНК, притом необратимо, экспрессируя один специфический энзим. Но нам нужно было проделать это на одной и той же хромосоме неоднократно, разворачивая ДНК «туда-сюда». Проблема в том, что если одновременно задействовать оба энзима в неправильной пропорции, каждая клетка начнет выдавать свой результат, и выйдет хаос», – объясняет Джером Боннет. В общей сложности потребовалось три года и 750 попыток, чтобы установить правильную пропорцию энзимов, позволяющую точно управлять ячейкой ДНК-памяти: кодировать, хранить и стирать бит информации в хромосомах кишечных палочек.

В конечном итоге один бит был записан и сохранялся в сотне поколений кишечных палочек, затем стерт, записан заново и сохранен на протяжении еще сотни поколений. Следующим шагом станет создание RAD-памяти, запоминающей уже восемь бит, или один байт информации. Это, конечно, будет выглядеть эффектней, чем ДНК-устройство, хранящее один минимальный бит, так что рано или поздно в научной периодике появится статья, описывающая, как биоинженеры, записав на кишечных палочках сонет Шекспира, отправили его коллегам из другой лаборатории, где сонет считали, стерли, на тех же бактериях записали ответ и отправили «ДНК-письмо» обратно.

Впрочем, для стэнфордской команды смысл биопрограммирования заключается не в том, как быстро (процесс записи одного бита в RAD-модуле занимает почти сутки) и как много информации можно записать на ДНК, а в разработке базовых механизмов, позволяющих управлять информацией внутри клетки. «Нас не особенно интересует, как именно будет использована эта технология: мы лишь создаем устойчивые и масштабируемые «биологические биты», чтобы передать их в руки тем, кто сможет подобные технологии разработать», – поясняет Боннет.

Запись информации на ДНК, например, можно использовать для раннего мониторинга рака и метастаз, инсталлируя счетчики, запоминающие число клеточных делений, непосредственно внутри клеток. Для записи и хранения информации можно использовать вирусные энзимы и «мусорные» участки человеческих ДНК, значительная часть которых представляет собой не что иное, как те же вирусные гены, которые инфицировали наших предков, только теперь такое инфицирование будет происходить направленно с целью записи нужных битов.  Наконец, устройства ДНК-памяти рано или поздно дополнят ДНК-компьютеры, делающие первые успехи – уже, например, созданы жидкие ДНК-процессоры, умеющие вычислять квадратный корень из двузначного числа.

Как именно будет использован огромный вычислительный потенциал биологических систем, покажет будущее, а пока, как признают сами авторы статьи, создание 8-битового элемента ДНК-памяти потребует усложнения существующей технологии на несколько порядков, так как в записи информации будут участвовать уже не два, а несколько десятков различных факторов и кофакторов рекомбиназы, заимствованных у разных вирусов.