Наука и технологија: Научници нашли начин да сачувају информације директно на ДНК

„Џиу-џицу? Научићете ме џиу-џицу?!", јунак филма „Матрикс", Кијану Ривс гледа у оператера са неверицом.

Овај му само намигне као одговор, пређе прстима преко дугмића и лице Одабраног се искриви у гримасу неподношљивог бола.

Ипак напад је кратко трајао и већ након пар секунди једва је подигао главу са столице и са узбуђењем и кроз издах рекао: „Ја знам кунг фу!".

Чувена сцена из филма „Матрикс" можда и није тако далеко од реалности, како нам се то свима чинило пре неких 20 година.

Амерички научници са Универзитета Колумбија из Њујорка развили су технологију која омогућава копирање информација са било ког дигиталног медија директно на ДНК, практично претварајући ћелије живих организама у минијатурне уређаје за бележење и чување података.

Наравно, тешко да ће моћи да се уче борилачке вештине на тај начин у блиској будућности али нова технологија пружа низ других могућих примена.

На пример, ако учитате компјутерски код било које ешерихије коли у ДНК то се никако неће одразити на њену способност размножавања.

Већ заправо то значи, да такви „оживљени програми" могу бесконачно да штампају своје копије у Петријевој чаши на најприроднији начин, непрекидно ажурирајући шифровани код који се налази у њима.

Другим речима, потребне информације могу да се чувају и хиљадама година у неизмењеној форми.

За сада је нова технологија, далеко инфериорнија у односу на друге, нама познате методе чувања информација, како по брзини, тако и по запремини уређаја за снимање.

Ипак, према речима научника, она је поуздана у погледу заштите од грешака, јер је систем бележења генетских информација, без икаквог претеривања, стар колико и сам живот.

Како то функционише?

Сама технологија састављања ДНК није нова.

Постоје само четири азотне базе које чине генетски код.

У лабораторијским условима могу да се саставе у ланац, нижући их једну за другом, као перле, по произвољном редоследу.

То се ради помоћу технологије CRISPR-Cas9, познатије као „генетске маказе".

Развијен је пре осам година, а прошле године је награђена Нобеловом наградом за хемију.

Међутим, састављање генетског кода на молекуларном нивоу је мукотрпан посао: потребно је много времена и посебна опрема.

У сваком случају, тако је било доскора, док група научника са Универзитета Колумбија није успела да аутоматизује овај процес.

„Успели смо да научимо ћелије да разговарају са рачунаром путем електронских сигнала и на тај начин преузмемо информацију са било ког електронског уређаја", каже за ББЦ главни аутор студије, професор системске биологије Харис Ванг.

Експерименти су се одвијали у његовој лабораторији користећи бактерију Ешерихију коли.

Ова бактерија је толико добро проучена да микробиолози често користе њене ћелије у експериментима као заморчиће.

Међутим, наглашава професор, CRISPR-Cas9 је такође одличан за корекцију људског генома.

Што значи, можемо да се надамо, да ће у будућности информације моћи да се копирају са рачунара директно у ћелије људи.

Готово као у Матриксу или у филму Џони Мнемоник, са истим оним Кијануом Ривсом у главној улози.

„Преводимо бинарни код рачунарског програма (скуп нула и јединица) у електричне импулсе које шаљемо у ћелију", објашњава проналазач.

На њеној површини постоје рецептори који усвајају ове сигнале и већ их преводе на језик ДНК, аутоматски градећи жељену секвенцу генома."

Као резултат тога, додатни фрагмент се додаје главном ланцу ДНК, тј. специфична „информациона приколица".

За разлику од дигиталних рачунарских информација, он је скуп слова генетског кода (односно аналогна шифра) и због тога научник упоређује овај сегмент са магнетном траком.

Уткана у ДНК бактерије, информација постаје део њеног генома и аутоматски се копира са сваком ћелијском деобом.

„А то значи да ћемо касније, пошто прочитамо ову секвенцу, моћи да обновимо, поново створимо информације ускладиштене у популацији ћелија", каже професор.

Како записати два бајта?

У почетку експеримент се изводио како би се аутоматизовао сложени процес састављања ДНК, и како би се он учинио доступнијим, да не захтева посебно знање и опрему.

Међутим, према речима професора са Универзитета централне Флориде у Орланду, Дмитрија Колпашчикова, коришћење дугих фрагмената ДНК за бележење информација прилично је неефикасно.

Општеприхваћена метода, кад се приликом састављања у лабораторији, свака карика полимерног ланца ДНК кодира један или чак неколико битова информација, много је ефикаснија.

„Да би се забележио један бит информација, ћелији су слати електрични сигнали током 14 часова, преиспитује се он.

Како би се таквој технологији пронашла нека практична примена потребно је да се процес знатно убрза.

Међутим, нема очигледних начина да скрате ово време: да би се учитао један бит потребно је сат времена, а можда и неколико сати.

Током спровођења експеримента који је трајао 42 сата научницима је пошло за руком да забележе на ДНК само 3 бита информација.

Али да би ове информације могле да се узму у обзир у будућности, потребно је да се спроведе потпуно декодирање ДНК бактерије, что уз тренутни ниво технологије није тешко, већ захтева пуно времена и новца.

Секвенцирање генома је скупо.

Професор Ванг каже да су у лабораторији намерно успорили процес, а обим учитаних информација у ДНК формату у теорији може бити и већи него што дозвољавају савремене технологије.

Да не спомињемо то да са аспекта брзине тешко да је изградња ћелија инфериорна у односу на брзину дигиталног записа.

„Време рада на рачунару мери се у милисекундама, али неки ћелијски ензими могу да раде једнако брзо", каже он.

„Можда ћемо у будућности успети да развијемо неку врсту унутарћелијских механизама који ће омогућити да се порцес у великој мери убрза.

„У теорији ништа не спречава стварање ћелије која ће у потпуности копирати свој геном за само неколико минута."

Међутим, према речима професора Колпашчикова, чак и у овом случају, метода коју су предложили Американци, тешко да ће бити ефикаснија, од метода бележења информација које данас постоје.

Тако да чак нема много смисла развијати нову технологију, ако се, наравно, ради само о начину чувања података.

Међутим, можда ће она добити и другу примену.

Ванвременски

Вештачки састављени ланци генетског кода користе се у разне сврхе.

На пример, у лабораторији на чијем је челу Колпашчиков, од такозване компјутеризоване ДНК склапају се нанороботи за лечење болести канцера, грипа, као и за извођење експеримената у области генетског инжењеринга.

Ако се успе да се поступак склапања аутоматизује и убрза, онда потражња за технологијом коју су развили Американци може бити велика.

Заправо, на овај или онај начин, она омогућава успостављање директног канала за пренос података између рачунара на које смо навикли и живих ћелија.

И иако овај канал до сада није најбржи и најпоузданији, према речима професора Ванга, имамо још једну веома важну предност.

„У ДНК информације су забележене у тродимензионалном аналогном облику, а то је најстабилнији облик. У том облику подаци могу да се чувају стотинама хиљада, па чак и милионима година", уверава он.

Па ни данас понекад није тако једноставно да се пронађе начин за читање података са ласерског диска или магнетне траке, а да не говоримо о картицама са перфорацијама.

Сви ови носачи информација су кратког века и све технологије брзо застаревају, подсећа професор.

Али генетски код не мари за овај проблем.

„Знамо да ћемо за 50 хиљада година моћи да дешифрујемо ДНК на потпуно исти начин као и данас, сигуран је Харис Ванг.

„Који то још облик записа има такву способност?".

Колпашчиков не оспорава ове тврње:

„У ствари [због размножавања] врши се биолошка подршка за одрживост бактерија, без обзира што ту могу да се акумулирају грешке. У потпуности се слажем: ово је добар аргумент."

Што се тиче могућих грешака програмери су оптимистични.

Према њиховим речима, нико неће у спољну средину пуштати бактерије са „информационом приколицом", где морају да се боре за опстанак, како им природна селекција не би била претња.

„Занимљив развој"

Професор Ванг не оспорава да се сада технологија налази у врло раној фази развоја.

У идеалном случају потребно је да се некако аутоматизује и повратни процес, да се омогући да ћелија, не само да може да копира и сачува информацију, већ и да је самостално негде пренесе.

Тек онда ће она да научи да у потпуности „разговара са компјутером", а не само да слуша, већ и одговара.

Међутим, како каже програмер то је још на дугачком штапу.

Природа је изумела много начина који омогућавају стварање и промену генетског кода, а научници су тек почели да их савладавају.

„Ми нисмо богови", осмехује се професор.

„Ми само користимо ДНК за учитавање информација. Ми смо пре уметници или писци, или програмери, који стварају генетске програме са некаквим новим корисним функционалностима из већ готових елемената."

Према његовим речима, следећи корак је да се поједностави пренос информација из компјутера у ћелију.

Сада се у те сврхе користи проток електрона али у будућности може да буде замењен нечим другим.

На пример, наизменичним магнетним пољем или температуром спољне средине.

Или чак обичним светлосним зраком, пошто већина живих организама има фоторецепторе.

Тада ће, сања професор, бити могуће да се много брже копирају информације на ДНК, уосталом, биће могуће да се истовремено сними одмах на неколико фреквенција одједном.

Међутим, Дмитриј Колпашчиков гаји сумње у то колико ће такав пренос података бити поуздан.

Према његовим речима, сличне технологије (када се из једног извора одвија паралелно снимање на таласима различитих дужина) већ се користе у медицинској дијагностици.

Он сматра да ово није правац који највише обећава.

„Зашто се у компјутерским кодовима користи бинарни систем - нуле и јединице? Јер је ово најпоузданији запис", сматра стручњак.

Ако пређемо на други ниво, онда грешке почињу да се нагомилавају.

Управо због тога веома је тешко избећи бинарни систем у стварним уређајима, ризик од грешке је превелики.

„Генерално гледајући, складиштење података није главни правац за [технологију компјутеризоване] ДНК", резимира он.

„То је заиста корак у страну. Колико ће бити успешно, није познато али овај развој је свакако занимљив и необичан."

Пратите нас на Фејсбуку и Твитеру. Ако имате предлог теме за нас, јавите се на [email protected]