Память в пробирке: как ДНК становится носителем информации и инструментом для лечения рака

Один грамм ДНК теоретически способен вместить до 450 эксабайт данных — это 450 млрд гигабайт. По словам доктора физико-математических наук, заведующего лабораторией нанобиотехнологий МФТИ и лауреата Государственной премии РФ 2024 года Максима Никитина, ДНК — самое компактное хранилище из известных человечеству. Если защитить образец от света и влаги, информация может сохраняться тысячу и даже 10 тысяч лет.

Если просто подсчитать объём, человеческая ДНК содержит около 3,1 млрд пар оснований, каждая пара кодируется двумя битами, итого примерно 1,5 ГБ данных — как 40 минут видео стандартного разрешения. Но это лишь «сырой» объём. С точки зрения теории информации, ценность представляет то, насколько последовательность можно сжать. Геномы всех людей почти идентичны (совпадение около 99,6%), поэтому при сжатии с эталонным геномом ДНК можно ужать более чем на 99% — до менее 120 млн бит. Без эталона лучший результат сжатия — около 62%, что даёт примерно 4,6 млрд бит.

В компьютерах данные представлены нулями и единицами. ДНК использует четыре нуклеотида — аденин, тимин, гуанин и цитозин. Чтобы сохранить изображение, его переводят в двоичный код, затем программа заменяет комбинации цифр буквами нуклеотидов. Полученный код разделяют на короткие фрагменты и синтезируют молекулы ДНК. Их высушивают и помещают в капилляр — в таком образце может храниться около 100 трлн копий одной фотографии. Для восстановления ДНК растворяют в воде, секвенатор определяет последовательность нуклеотидов, а программа преобразует код обратно в файл. В лаборатории Никитина уже удалось считать 800 последовательностей и восстановить сохранённую фотографию.

В 2024 году Максим Никитин получил Государственную премию за открытие молекулярной коммутации — механизма, позволяющего коротким одноцепочечным молекулам ДНК связываться с другими цепями на отдельных участках и формировать сложные конструкции. Это открывает путь к обработке информации на молекулярном уровне без обычного компьютера. В перспективе такие системы смогут распознавать сигналы внутри клеток и запускать ответные реакции — например, для диагностики заболеваний и управления работой генов.

Ещё одно направление — нанобиотехнологии и адресная доставка препаратов. Учёные создают многослойные наночастицы, напоминающие луковицу. Когда частица достигает опухоли и распознаёт характерное сочетание онкомаркеров, её слои разрушаются и высвобождают активный компонент. Для наблюдения за частицами используют электронный микроскоп и оптический томограф, а камера, регистрирующая даже единичные фотоны, позволяет отслеживать накопление частиц в опухоли и их дальнейшее перемещение в печень и селезёнку.

Максим Никитин выделяет два типа ДНК-хранилищ — «холодные» и «горячие». Первые предназначены для долговременного архивирования: образец помещают в защищённый контейнер из кремния и сохраняют на тысячи лет, не требуя постоянного доступа. Создать «горячее» хранилище, позволяющее быстро обрабатывать информацию, гораздо сложнее. Пока такие идеи остаются футуристическими, но эксперименты уже показывают, что ДНК может использоваться и для хранения, и для обработки данных.

#ДНК #хранениеданных #МФТИ #Никитин #нанобиотехнологии #молекулярнаякоммутация #доставкалекарств #рак #ГигаНаука #Сбер #наука #технологии #биотехнологии #теорияинформации #Колмогоров #Шеннон