Otkrića

Kako „programirati“ žive bakterije da čuvaju podatke

Istraživači su smislili način za elektronsko upisivanje podataka u DNK živih bakterija – a mnogi veruju da ova opcija skladištenja informacija neće uskoro zastareti

Foto: Unsplash/Michael Schiffer

Tekst: Ivana Nikolić

„Ovo je zaista dobar korak”, kaže za Science Set Šipman, bioinženjer sa Univerziteta u Kaliforniji, komentarišući novu studiju objavljenu početkom januara u časopisu Nature Chemical Biology. Ovo bi moglo da dovede i do komercijalnog razvoja, ali upozorava da je korišćenje živih bakterija za skladištenje podataka ipak i dalje veoma daleko od realne upotrebe od strane običnih ljudi.

Ali, zašto bismo uopšte morali da koristimo žive bakterije i njihov DNK, kada imamo toliko hard i optičkih diskova koji su na samo korak od nas? Autori studije Robust direct digital-to-biological data storage in living cells objašnjavaju da uređaji aktuelne tehnologije mogu postati nečitljivi i praktično neupotrebljivi kada je pretekne nova tehnologija. Setimo se samo flopi-diskova i magnetnih traka! Istraživači zato misle da elektronsko upisivanje podataka u DNK živih bakterija neće uskoro zastareti, ako i zastari.

DNK je atraktivna za čuvanje podataka iz više razloga. Prvo, ona je više nego 1000 puta gušća od najkompaktnijih hard diskova, što joj omogućava da čuva čak 10 filmova u punoj dužini unutar zapremine zrna soli. Pored toga, DNK je sasvim sigurno najvažniji koncept u biologiji, te se očekuje da će tehnologije za čitanje i pisanje s vremenom postati jeftinije i moćnije.

Ideja o korišćenju DNK za skladištenje podataka nije nova.

Da bi to učinili, istraživači obično pretvaraju datoteku podataka, tj. njihov niz digitalnih jedinica i nula, u kombinacije četiri baze molekula: adenin, guanin, citozin i timin. Zatim koriste DNK sintetizator za upisivanje tog koda u DNK. Ali, tačnost sinteze se smanjuje što je dužina koda veća, pa istraživači obično raščlanjuju svoje datoteke na komade i zapisuju ih u isečke DNK. Svaki taj isečak dobija indeks da identifikuje svoju lokaciju u datoteci, a DNK sekvenceri zatim čitaju isečke kako bi ponovo sastavili datoteku. Problem sa ovom metodom je što košta do 3500 dolara da bi se sintetizovao 1 megabit informacija. Osim toga, DNK se vremenom može razgraditi.

Da bi stvorili medijum koji je dugotrajan i lakši za kodiranje, istraživači sada rade na upisu podataka u DNK živih organizama, koji kopiraju i prenose svoje gene na sledeću generaciju. Tim Harisa Vanga sa Univerziteta Kolumbija je 2017. počeo da koristi CRISPR sistem editovanja gena kako bi prepoznao biološki signal, kao što je prisustvo fruktoze. Kada su istraživači dodali fruktozu u ćelije Escherichia coli, ekspresija gena se povećala u komadićima prstenaste DNK zvane plazmidi. Potom su CRISPR komponente – koje su evoluirale da brane bakterije od virusa – iseckale plazmid sa prekomernom ekspresijom gena na komade i stavile njegove delove u određeni deo DNK bakterija koji se „seća“ prethodnih virusnih osvajača. Ubačeni genetički element predstavljao je digitalni bit. Ako je fruktozni signal odsutan, bakterije bi umesto toga pohranile nasumični delić DNK, koji bi bio digitalna nula. Sekvenciranje DNK E. coli je zatim otkrilo da li je bakterija bila izložena fruktozi, preko jedinice ili nule.

Kako je korišćenjem ovog pristupa moglo da se skladišti samo nekoliko bitova podataka, Vang i kolege zamenili su sistem za prepoznavanje fruktoze onim koji može da kodira duže nizove informacija kao što je elektronski unos. Oni su u E. coli ubacili seriju gena koji su omogućili ćelijama da povećaju ekspresiju plazmida kao odgovor na električni napon. Kao i kod opcije u kojoj je korišćena fruktoza, povećanje ekspresije dovelo je do toga da se digitalna jedinica uskladišti u DNK bakterije. Da bi očitali jedinice i nule, istraživači su jednostavno sekvencirali bakterije.

Koristeći ovaj pristup, Vang i kolege su kodirali oko 72 bita podataka, da bi napisali poruku „Zdravo, svete!“

Vang je saglasan u oceni da je još rano za čuvanje podataka u živim organizmima. „Nećemo se takmičiti sa trenutnim sistemima za skladištenje memorije“, kaže on. Istraživači će takođe morati da smisle načine kako da spreče da njihove poruke nestaju ili se gube dok bakterije mutiraju tokom reprodukcije.

 

OTKRIĆA

Svakoga dana se u svetu objavi više hiljada novih otkrića. Koja od njih su zaista bitna? Koja menjaju naučnu paradigmu? I kako razumeti šta se zapravo dešava na naučnim frontovima?

Istražite tekstove iz rubrike OTKRIĆA.

Istražite druge tekstove:


Grb Republike Srbije
ecsite nsta eusea astc

CPN
Ulica kralja Petra 46
11000 Beograd
Republika Srbija
+381 11 24 00 260
centar@cpn.rs