Lagring af data i DNA er meget nemmere end at få dem ud igen

Menneskeheden skaber information med en hidtil uset hastighed - omkring 16 zettabyte hvert år (en zettabyte er en milliard terabyte). Og denne sats er stigende. Sidste år beregnede forskergruppen IDC, at vi i 2025 vil producere over 160 zettabyte hvert år.

Alle disse data skal lagres, og som følge heraf har vi brug for meget tættere hukommelse, end vi har i dag. En spændende løsning er at udnytte DNA's molekylære struktur. Forskere har længe vidst, at DNA kan bruges til datalagring - det gemmer trods alt planen til at lave individuelle mennesker og overfører det fra en generation til den næste.

Det, der er imponerende for dataloger, er tætheden af ​​de data, som DNA lagrer: et enkelt gram kan rumme omtrent en zettabyte.

Men ingen har fundet på et realistisk system til at gemme data i et DNA-bibliotek og så hente det igen, når det er nødvendigt.

I dag ændrer det sig takket være arbejdet fra Federico Tavella ved University of Padua i Italien og kolleger, som har designet og testet netop en sådan teknik baseret på bakterielle nanonetværk.

Princippet er enkelt. Bakterier bærer ofte genetisk information i form af små cirkulære ringe af dobbeltstrenget DNA kaldet plasmider. Disse molekyler er vigtige, fordi de ofte giver en vis fordel for værtscellen, såsom antibiotikaresistens.

Det er afgørende, at bakterier kan overføre plasmider fra en celle til en anden i en proces kendt som konjugation. Dette er en måde, hvorpå bakterier udveksler genetisk information, og processen danner et fantastisk komplekst nanonetværk i naturen.

Det er grundlaget for den nye teknik. Tavella og co ønsker at udnytte dette nanonetværk til at overføre information, som de har genmanipuleret til plasmiderne.

Ideen er at gemme data i plasmider inde i bakterieceller, der er fanget på et bestemt sted. For at hente denne information sender forskerne bevægelige bakterier til dette sted, hvor de konjugerer med de fangede bakterier og fanger de databærende plasmider. Endelig bærer de bevægelige bakterier denne information til en enhed, der udvinder plasmiderne og læser de data, de bærer.

Tavella og co har endda udført et proof-of-principle-eksperiment ved at bruge to forskellige stammer af E coli —HB101 og Novablue — der er resistente over for forskellige antibiotika. HB101 er resistent over for streptomycin, mens Novablue har tetracyclin-resistente plasmider. Novablue kan videregive denne resistens til HB101 ved at overføre disse plasmider under konjugation.

Det giver holdet kontrol over, hvor bakterierne kan vokse. For eksempel kan Novablue overleve, når tetracyklin er til stede, men HB101 kan ikke – medmindre det er konjugeret med Novablue og er blevet resistent.

Så prototypehukommelsen består af et datalagerområde, en datalæser og en dataoverførselskanal, der forbinder dem. For at gemme data koder forskerne en simpel besked ind i de tetracyklin-resistente plasmider, der bæres af Novablue-bakterierne. Traditionen tro er budskabet Hello World. De inkluderer også et fluorescerende farvestof i plasmidet, så de kan overvåge dets bevægelse.

Til at starte med placeres Novablue-bakterierne i datalagringsområdet, hvor de ikke kan undslippe. I praksis er dette en flad overflade af hård agar, der ikke er egnet til bakteriel motilitet. Under alle omstændigheder omgiver holdet dette med streptomycin, som dræber Novablue.

Dataoverførselskanalen løber fra en kilde med HB101-bakterier hen over datalagerområdet og derefter videre mod datalæseren. Denne består af blød agar, der er velegnet til bakteriel motilitet. Og da HB101 er resistent over for streptomycin, kan det bevæge sig gennem denne kanal med relativ lethed.

Området mellem datalagringsområdet og datalæseren er imidlertid rig på tetracyclin såvel som streptomycin. Og dette forhindrer begge bakterier i at rejse hen over det.

Hvad der derefter sker, er nøglen. HB101-bakterierne rejser til datalagringsområdet, konjugerer med Novablue-bakterierne og opsamler de databærende plasmider.

Men dette giver dem også tetracyklinresistens. Og det betyder, at når de har hentet dataene, kan de så rejse videre gennem kanalen til datalæseren. Forskerne udtrækker derefter plasmiderne og læser dataene - Hello World. De kan se, hvordan information flyder på tværs af dette netværk takket være det fluorescerende farvestof.

Det er ikke ligefrem hurtigt: HB101-bakterierne tager omkring 72 timer at rejse over agarkanalen. Så datahastigheder er sneglelignende. Men forsøget viser, hvordan et DNA-dataarkiv i princippet kunne fungere.

Der er et andet vigtigt element i et dataarkiv. I et sådant system vil der være mange datalagringssteder, og hver enkelt skal kunne adresseres. Med andre ord skal der være en måde, hvorpå dataoverførselsbakterierne kan finde hvert sted.

Tavella og co har også et svar på dette: et molekylært positioneringssystem, der er analogt med Global Positioning System. Dette er afhængigt af beacons, der hver frigiver et kemikalie, der tiltrækker bakterierne. Faktisk kan bakterierne konstrueres til at følge disse kemiske spor.

Så er det med tre forskellige kemikaliespor muligt at triangulere en position i rummet. Når bevægelige bakterier følger alle tre spor, ender de på det sted, hvor alle tre kemiske signaler overlapper hinanden. I simuleringer, siger forskerne, fungerer denne proces godt, men de har endnu ikke prøvet det i et vådt laboratorium.

Ikke desto mindre er arbejdet et interessant skridt mod praktisk DNA-baseret datalagring. Vores løsning gør det muligt at lagre digitalt kodet information i ikke-bevægelige bakterier, som udgør en arkivarkitektur af klynger, og senere hentes af manipulerede bevægelige bakterier, når der er behov for læseoperationer, siger Tavella og co.

Og proof-of-princip-eksperimentet viser, hvordan dette kunne fungere. Vi har udført våde laboratorieforsøg, der viser, hvordan bakteriers nanonetværk effektivt kan hente en simpel besked, såsom 'Hello World', ved at konjugere med ikke-bevægelige bakterier og til sidst mobilisere mod et sidste punkt, siger de.

Selvfølgelig er der mange udfordringer forude. Det molekylære positioneringssystem er interessant, men det skal testes i et vådt laboratorium for at se, hvor alsidigt og praktisk det kan være. Og datahastighederne skal skrues op. Det vil ikke være muligt ved at øge hastigheden, hvormed bakterier rejser, men hastighederne kan forbedres væsentligt ved at øge mængden af ​​data, som hvert plasmid lagrer.

Tidlige dage for en potentielt spændende teknik.

Ref: arxiv.org/abs/1801.04774 : DNA Molecular Storage System: Overførsel af digitalt kodet information gennem bakterielle nanonetværk

skjule