Учёные предлагают выйти за пределы обычной ДНК и хранить цифровую информацию в молекулах с искусственными основаниями, изменёнными сахарами и даже зеркальной структурой. Исследователи из Шанхайского университета Цзяотун и Китайской академии наук систематизировали технологии неканонических нуклеиновых кислот, которые могут оказаться плотнее, устойчивее и функциональнее привычной ДНК-памяти.
Обычная ДНК использует четыре основания A, T, G и C. При прямом кодировании такой алфавит несёт максимум 2 бита на один нуклеотид. Искусственная система AEGIS расширяет набор до 12 символов и теоретически повышает ёмкость до 3,58 бита на позицию. Получается редкий случай, когда плотность памяти можно увеличить не уменьшая физический размер ячейки, а добавляя новые «буквы» молекулярного алфавита.
Другой путь меняет не основания, а сам каркас молекулы. Например, TNA, HNA и несколько других синтетических аналогов хуже поддаются разрушению ферментами и способны лучше переносить агрессивную химическую среду. Особенно необычна L-DNA, зеркальная копия естественной ДНК. Большинство природных ферментов рассчитано на молекулы противоположной хиральности, поэтому нуклеазы значительно хуже распознают и разрушают L-DNA.
Зеркальная структура даёт ещё одно свойство. L-DNA почти не взаимодействует с обычными ДНК и РНК, поэтому исследователи рассматривают её как основу для молекулярной стеганографии и защиты данных. Информацию можно спрятать среди биологического материала так, чтобы стандартные методы анализа её не увидели без специально подготовленных реагентов.
Новые молекулы пытаются решить слабое место существующих ДНК-хранилищ. Природная ДНК обладает огромной плотностью записи, но разрушается под действием нуклеаз, ультрафиолета, экстремального pH и некоторых химических веществ. Защитные капсулы частично решают проблему, тогда как модифицированные нуклеиновые кислоты позволяют встроить устойчивость непосредственно в носитель.
До молекулярных архивов в дата-центрах пока далеко. Синтез нестандартных нуклеотидов остаётся дорогим, многие обычные полимеразы не умеют копировать искусственные основания и изменённый каркас, а секвенаторы плохо различают расширенный алфавит. Авторы считают одним из перспективных вариантов нанопоровое чтение с новыми алгоритмами распознавания сигналов.
Главная идея нового направления заключается уже не в попытке превратить биологическую ДНК в необычный аналог магнитной ленты. Химики постепенно проектируют собственные молекулярные носители, где можно отдельно настраивать плотность записи, срок хранения, устойчивость к среде и даже возможность скрыть информацию от стандартных биологических инструментов.
