Микрожидкостный чип упростит работу с памятью на ДНК
Китайские ученые смогли записать данные в ДНК и извлечь их с помощью единственного электрода. Это существенный шаг вперед по сравнению использовавшимся для этого до сих пор сложным химическим лабораторным оборудованием, однако став удобнее, работа с молекулярной памятью остается крайне медленной.
Как указывается в статье, по итогам этой работы вышедшей в журнале Science Advances, современные методы хранения данных в ДНК обычно включают сложные манипуляции с жидкостями на каждом этапе, чередующиеся с операциями, выполняемыми вручную. Добавление одного фосфорамидитного нуклеотидного мономера на стадии синтеза обычно требует введения по крайней мере четырех видов жидких растворов, не говоря уже о стадии секвенирования (используемой для чтения данных). Это ограничивает возможности масштабирования такого метода и увеличивает вероятность внесения ошибок.
Для противодействия ошибкам нужны избыточные данные, а для обеспечения произвольного доступа требуется добавление адресных тегов. Из-за всего этого цепочки ДНК становятся слишком громоздкими при увеличении масштабов памяти, что увеличивает риск потери данных в результате предвзятой амплификации.
Ключевым для успеха исследовательской группы Юго-восточного университета в Нанкине (Китай) стало изобретение SlipChip - устройства для упрощения манипуляций с жидкостями при синтезе и секвенировании ДНК. Оно было изготовлено стандартными промышленными методами фотолитографии и осаждения из газовой фазы.
SlipChip имеет две пластины, каждая со своей системой отверстий и каналов. При смещении этих пластин их отверстия попеременно совмещаются, что открывает и закрывает подачу различных химикатов в реакционный раствор.
Заряд золотого электрода SlipChip может изменяться в зависимости от наличия или отсутствия последовательностей ДНК. Как говорится в статье "секвенирование основано на перераспределении заряда, вызванном удлинением праймера, катализируемым полимеразой, что приводит к измеримому всплеску тока".
Двоичные данные сначала преобразуются в четвертичные (A, T, C и G) последовательности оснований ДНК, которые затем синтезируются в белковую цепочку. Четыре фосфорамидитных нуклеотидных мономера, необходимых для синтеза (или четыре dNTP - для секвенирования), предварительно загружаются в резервуары SlipChip. Промывочный раствор и другие реагенты подаются через жидкостной канал.
Для демонстрации возможностей SlipChip, авторы с его помощью записали в ДНК девиз своего университета "Доводить все до совершенства", а затем считали его с точностью 87,22%. Коррекция ошибок с помощью избыточных данных позволила получить стопроцентно точный результат.
На запись и чтение этой информации (объемом 4,5 байт) исследователи потратили в общей сложности около девяти часов. Скорость обмена данными составляла всего 0,5 байт в час, впрочем, авторы смогли ее улучшить, используя электродный массив. Но даже с 4-электродным массивом SlipChip работает в 14 триллионов раз медленнее, чем SSD Toshiba FL6.
Такая производительность сильно ограничивает круг приложений белковой памяти, даже несмотря на ее фантастические преимущества, такие как удельная емкость до 455 эксабайт на грамм и длительность хранения, исчисляемая миллионами лет.
