Вместе с Максимом Никитиным — доктором физико-математических наук, заведующим лабораторией нанобиотехнологий МФТИ и лауреатом Государственной премии РФ в области науки и технологий 2024 года — разбираемся, как закодировать фотографию в ДНК, что такое молекулярная коммутация и как нанотехнологии помогают разрабатывать новые способы лечения рака.
Почему информацию хотят хранить в ДНК
За последние десятилетия человечество сменило множество способов хранения информации. На аудиокассете помещалось полтора часа записи, на дискете — всего 1,44 Мб данных, на DVD — 4,7 Гб. Затем появились флешки объемом до нескольких терабайт и облачные хранилища, позволяющие сохранять еще больше информации. Однако потребность в новых способах записи данных продолжает расти.
Одно из перспективных направлений — использование ДНК в качестве носителя информации. По словам Максима Никитина, это самое компактное хранилище из известных человечеству. Теоретически один грамм ДНК способен вместить до 450 эксабайт данных, или 450 млрд Гб.
Другое преимущество ДНК — долговечность. Если записать информацию и обеспечить для нее подходящие условия хранения, например защитить образец от света и влаги, она может сохраняться тысячу и даже 10 тыс. лет.
Правда, пока речь идет о потенциальных возможностях технологии. Ученым еще предстоит разработать достаточно доступные и эффективные способы записи и считывания больших объемов данных.
Как записать фотографию в ДНК
В обычных компьютерах информация представлена последовательностями нулей и единиц. ДНК использует другой принцип кодирования: информация в ней записывается с помощью четырех типов нуклеотидов, которые обозначают буквами «А», «Т», «Г» и «Ц» — по названиям азотистых оснований: аденина, тимина, гуанина и цитозина. Меняя их последовательность, можно кодировать цифровые данные.
Теоретически таким способом можно сохранить практически любую информацию: фотографии, фильмы, книги и другие файлы. В лаборатории Максима Никитина уже умеют проводить такие эксперименты.
Например, чтобы сохранить фотографию в ДНК, сначала ее переводят в двоичный код — последовательность нулей и единиц. Затем специальная программа заменяет комбинации этих цифр буквами «А», «Т», «Г» и «Ц», обозначающими четыре типа нуклеотидов ДНК. Полученный код разделяют на короткие фрагменты, по которым с помощью специального оборудования синтезируют молекулы ДНК. Их можно высушить и поместить в небольшой капилляр. По словам Максима Никитина, в таком образце может храниться около 100 трлн копий одной фотографии.
Чтобы восстановить изображение, нужно провести обратную процедуру. Образец ДНК растворяют в воде и помещают в секвенатор — прибор, который определяет последовательность нуклеотидов. Затем специальная программа преобразует полученный код обратно в нули и единицы, восстанавливая исходный файл.
В лаборатории Никитина таким способом удалось считать 800 последовательностей ДНК и восстановить сохраненную фотографию.
Что такое молекулярная коммутация
ДНК интересна ученым не только как носитель информации, но и как инструмент для ее обработки. В 2024 году Максим Никитин получил Государственную премию РФ за открытие молекулярной коммутации — фундаментального механизма, позволяющего молекулам ДНК взаимодействовать и обрабатывать информацию.
Долгое время исследования ДНК опирались прежде всего на представление о двойной спирали. Две цепи соединяются друг с другом по принципу застежки-молнии: каждому нуклеотиду на одной цепи соответствует определенный нуклеотид на другой. Однако Максим Никитин исследовал, как могут взаимодействовать короткие одноцепочечные молекулы ДНК, не образующие привычную двойную спираль. Оказалось, что они способны связываться с другими цепями лишь на отдельных участках и формировать сложные молекулярные конструкции.
Такие взаимодействия открывают возможности для обработки информации непосредственно на молекулярном уровне, без участия обычного компьютера. В перспективе это может позволить создавать биологические вычислительные системы, способные распознавать сигналы внутри клеток и запускать ответные реакции. Например, такие технологии могли бы использоваться для диагностики заболеваний и управления работой генов.
Как наночастицы помогают доставлять лекарства
Еще одно важное направление работы лаборатории Максима Никитина — нанобиотехнологии, в частности разработка систем адресной доставки лекарств. Одна из главных задач — научиться доставлять препараты непосредственно в опухоль, не высвобождая их раньше времени.
Для этого ученые создают многослойные наночастицы, напоминающие по структуре луковицу. Такие частицы могут реагировать на молекулярные сигналы окружающих тканей. По замыслу исследователей, когда частица достигает опухоли и распознает характерное сочетание онкомаркеров, ее слои начинают разрушаться. В результате высвобождается активный компонент, который может доставить лекарство в клетку или воздействовать на нее другим способом.
Чтобы изучать поведение наночастиц, ученые используют специальное оборудование. Например, электронный микроскоп позволяет рассматривать их структуру, а оптический томограф — отслеживать распределение частиц в организме.
В лаборатории применяют камеру, способную регистрировать даже единичные фотоны — мельчайшие порции света. Благодаря этому исследователи могут наблюдать, как наночастицы накапливаются в опухоли, а затем перемещаются в печень и селезенку. Такие технологии помогают изучать системы доставки лекарств и оценивать, насколько точно они воздействуют на необходимые ткани.
Какими будут хранилища будущего
Максим Никитин выделяет два возможных типа ДНК-хранилищ — «холодные» и «горячие».
Первый вариант предназначен для долговременного архивирования данных. Например, образец ДНК с записанной информацией можно поместить внутрь защищенного контейнера из кремния или другого прочного материала и сохранить на тысячи лет. В таком случае к данным не требуется постоянно обращаться — важно, чтобы их смогли восстановить будущие поколения.
Гораздо сложнее создать «горячее» хранилище, которое позволит хранить и быстро обрабатывать информацию. Максим Никитин предлагает представить еще более фантастический сценарий: «Взял какую-то информацию, съел ее — и узнал страничку в «Википедии». И вкусно, и полезно, и информативно».
Пока такие идеи остаются футуристическими. Однако эксперименты уже показывают, что ДНК может использоваться и для передачи наследственной информации, и для создания новых технологий хранения и обработки данных.
Этот материал подготовлен в рамках «ГигаНауки» — совместного проекта Сбера и РБК о ключевых научных открытиях и технологических вызовах современности. Проект объединяет видеопрограммы и тексты о медицине, ИИ, биотехнологиях и других направлениях будущего. Важная часть «ГигаНауки» — интеграция нейросети ГигаЧат, которая помогает простым языком объяснять сложные научные темы.
Реклама, ПАО Сбербанк, 18+, erid: 2SDnjeA5qcG