Ученые из Университета Цинхуа, Чжэцзянского университета и Китайской академии наук разработали алгоритм кодирования информации в ДНК «in vivo» (внутри живой клетки) и механизм редактирования записанных данных. Система из двух плазмид подходит для хранения, чтения и перезаписи различных типов информации, включая текст, кодовые книги и изображения.
В своей работе исследователи использовали систему, состоящую из двух плазмид. Это небольшие молекулы ДНК, обособленные от хромосом и способные к автономной репликации. Ученые ввели две такие молекулы, отредактированные с помощью технологии CRISPR, в клетки кишечной палочки (Escherichia coli).
Чтобы обеспечить эффективность записи, хранения и надежность перезаписи информации, генетики использовали различные CRISPR-ассоциированные белки (Cas) и рекомбиназу. Они использовали молекулы РНК CRISPR, соответствующие нужной информации, чтобы найти и перезаписать нужную информацию. При этом рекомбиназа реконструировала ДНК, чтобы подготовить ее для кодирования новой информации.
Схема эксперимента. Цифровая информация была закодирована в последовательности ДНК с использованием алгоритма кодирования высокой плотности. Затем последовательности клонировали в плазмиду живых клеток. Перезапись информации осуществлялась с помощью двухплазмидной системы на основе CRISPR-Cas12a-λRed, кодирующая матрица которой была клонирована в плазмиде. Исходная информация была специально перезаписана путем замены фрагмента ДНК-мишени в инфоплазмиде фрагментом ДНК донора. После проверки переписанная информация была расшифрована путем декодирования последовательности ДНК в новой плазмиде. Изображение: Yangyi Liu et al., Science Advances
Эксперименты показали, что с помощью этой технологии оптимизированную последовательность CRISPR РНК легко адаптировать для записи изменения любой сложной информации. Генетики смогли достичь надежности перезаписи в 94%. При этом переписанная информация стабильно сохранялась и усиливалась на протяжении сотен поколений бактерии.
Технология хранения данных ДНК имеет два режима, объясняют авторы работы: «режим жесткого диска in vitro» и «режим компакт-диска in vivo». Преимущество хранения информации в живых клетках — недорогая и надежная репликация. Благодаря этому этот режим можно использовать для быстрого и недорогого распространения копий данных.
Исследователи полагают, что плазмидная система может служить универсальной платформой для перезаписи информации на основе ДНК «in vivo». Ее можно использовать в качестве новой стратегии обработки информации и целенаправленной перезаписи больших и сложных данных на молекулярном уровне. При этом тот же подход можно применять и к живому хозяину с более крупным геномом, например, к дрожжам, чтобы хранить больший объем данных.
