Бактерии RW

Кишечный чип
Создано первое устройство памяти на основе ДНК с функцией перезаписи

Дмитрий Малянов, «Газета.Ru»

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» (Bonnet et al., Rewritable digital data storage in live cells via engineered control of recombination directionality) 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).

Рисунок из статьи в PNAS.
Int – интеграза, Xis – эксцизионаза,
GFP и RFP – зеленый и красный флуоресцирующий протеин (ВМ)

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.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
22.05.2012