DNA sprzed tysięcy lat wciąż daje się odczytać, a dysk twardy wytrzymuje kilkanaście. Dlatego kusi pomysł, żeby zapisywać dane wprost w cząsteczkach życia — tyle że dotąd robiono to w agresywnych rozpuszczalnikach i w wyspecjalizowanych laboratoriach. Zespół projektu HYPERION wziął chip krzemowy zaprojektowany do rejestrowania pracy neuronów i kazał mu pisać w DNA w zwykłej wodzie. Po drodze natrafił na przeszkodę zupełnie nie tam, gdzie jej szukał — a na końcu możesz sprawdzić, czy sam szukasz prawdziwego wąskiego gardła, czy tylko najbardziej oczywistego.
Cała informacja potrzebna do zbudowania człowieka mieści się w cząsteczce, której nie widać gołym okiem. To dlatego DNA od lat wraca w rozmowach o przechowywaniu danych: jest gęste i zaskakująco trwałe. Materiał, który przeleżał tysiące lat, wciąż daje się odczytać, a żaden nośnik cyfrowy nie może się tym pochwalić.
Problem nigdy nie leżał w odczycie. Sekwencjonowanie DNA jest dziś rutyną. Wąskim gardłem jest zapis, czyli synteza: trzeba złożyć łańcuch litera po literze, w zadanej kolejności, i zrobić to tanio oraz na dużą skalę.
Klasyczna synteza DNA opiera się na chemii amidofosforynowej. Działa dobrze, ale wymaga agresywnych rozpuszczalników i sprzętu, który stoi w wyspecjalizowanych laboratoriach. Zapis danych w takim modelu jest scentralizowany i kosztowny — trudno wyobrazić sobie, że ktoś stawia sobie taką maszynę obok serwerowni.
Alternatywa istnieje i podpatruje przyrodę. Jak ujmuje to artykuł CORDIS, „synteza enzymatyczna oferuje czystszą, opartą na wodzie alternatywę naśladującą przyrodę, jednak dotychczas nie miała skali niezbędnej do praktycznego przechowywania danych”.
Enzymy robią to, co robią w komórce: dokładają kolejne litery do łańcucha, pracując w wodzie. Znika więc cała warstwa uciążliwej chemii. Zostaje jednak pytanie, które przez lata blokowało całą metodę: jak kazać enzymowi pracować w jednym miejscu, a w sąsiednim nie, skoro wszystkie siedzą w tej samej kropli?
Odpowiedź przyszła z zupełnie innej dziedziny. Zespół kierowany przez profesora Donhee Hama z Uniwersytetu Harvarda, działający w finansowanym ze środków UE projekcie HYPERION, pracował wcześniej nad układami krzemowymi do rejestrowania aktywności neuronów. Taki chip potrafi precyzyjnie sterować prądem w setkach osobnych punktów.
„W pewnym momencie zaczęliśmy się zastanawiać, czy tę samą kontrolę prądu można by przekierować z komórek do cząsteczek — zastępując elektrody oddziałujące z neuronami parami elektrod pierścieniowych, które mogłyby lokalizować pH na potrzeby syntezy DNA” — mówi Donhee Ham. Zamiast podsłuchiwać komórki, układ miał zacząć pisać.
Mechanizm da się streścić w kilku krokach, i właśnie w tej prostocie tkwi jego urok:
Sześćdziesiąt cztery sekwencje nie brzmią imponująco obok pojemności pendrive'a, ale poprzedni limit tej metody wynosił zaledwie kilkanaście. Wyniki ukazały się w czasopiśmie Nature Electronics.
Najciekawsze zaczęło się przy próbie zagęszczenia miejsc syntezy. Intuicja podpowiada, że zatrzyma nas elektronika — że krzemu nie da się upakować gęściej. Okazało się inaczej: przy usuwaniu grup ochronnych cząsteczki pośrednie wędrowały do sąsiednich miejsc i psuły tam zapis.
„Ograniczenie wynikało z procesu usuwania grup ochronnych, a nie z komponentów krzemowych” — podsumowuje Han Sae Jung, jeden z głównych współautorów. To zdanie przesuwa cały front prac: następnym krokiem nie jest lepszy chip, tylko lepsza chemia.
Współautor Woo-Bin Jung stawia sprawę wprost: przechowywanie danych w DNA ma sens dopiero wtedy, gdy synteza przebiega na skalę daleko wykraczającą poza dzisiejsze potrzeby. Jeśli uda się pisać równolegle znacznie więcej niż 64 sekwencje, metoda oparta na wodzie może się stać przyjaznym dla środowiska sposobem zapisu na bardzo dużą skalę.
W tej jednej historii spotykają się trzy kierunki. Elektronik projektuje matrycę elektrod, chemik rozumie, co się dzieje przy zmianie pH, informatyk decyduje, jak zamienić plik na sekwencję liter i jak potem odzyskać go bez błędów. Żadna z tych osób nie zrobiłaby tego sama.
Jest tu też lekcja o samej pracy badawczej. Zespół przystąpił do zagęszczania układu z gotowym założeniem i to założenie się nie potwierdziło. Wynik „przeszkodą jest coś innego, niż myśleliśmy” bywa cenniejszy niż potwierdzenie własnych przewidywań — bo dopiero on mówi, gdzie naprawdę warto włożyć wysiłek.
Zespół projektu HYPERION pokazał, że zwykły chip krzemowy, pierwotnie pomyślany do zupełnie innych zadań, potrafi równolegle zsyntetyzować 64 sekwencje DNA w wodzie, bez agresywnych rozpuszczalników. Zapisany w ten sposób tekst miał 169 bajtów. Ważniejsze od samej liczby jest jednak to, czego przy okazji się dowiedziano: barierą nie jest krzem, tylko etap usuwania grup ochronnych. Droga do zapisywania danych w DNA prowadzi więc przez chemię, a nie przez kolejne generacje układów scalonych.
5 pytań · minuta · bez zapisywania
EN
CS
DE
ES
FR
HU
IT
PL
PT
РУ
SK
TR
УК
AR
中文
