Renessansile teed sillutanud trükipressi tehnoloogia kasutas muu hulgas tüüpe ehk metallist tähti, mida sai seada sõnadeks ja lauseteks ning seejärel trükkimiseks tindiga katta. Rahvusvaheline teadlasrühm võttis omaaegsest leiutisest inspiratsiooni. Erinevalt Johannes Gutenbergist ja tema eelkäijatest kasutas see ümbertõstetavaid tüüpe meenutavat lahendust molekulide tasandil. Nii sai talletada DNA keermetesse infot senisest oluliselt kiiremini, vahendab Science News.

DNA-sse saab pakkida infot võrreldes inimkonna loodud talletusmeediumitega erakordselt tihedalt. Looduse leitud lahendusi on üritatud seni selles vallas jäljendada vaid laboritingimustes. Sellest hoolimata võib uus lahendus anda hoogu juurde alles lapsekingades olevale DNA andmetalletuse tööstusele. Nimelt muudaks selline talletusviis elutähtsa teabe säilitamise aastakümnete pikkusteks ajaperioodideks senisest kulutõhusamaks, osutavad uuringuga mitte seotud teadlased.

Klotsid, paber ja tint

DNA infotalletuse tehnoloogia on paljude silmis peibutav. Ühteainsasse grammi pärilikkusainesse saab mahutada kuni 215 petabaiti andmeid. Sellest piisaks, et talletada näiteks kümne miljoni tunni jagu kõrge pildikvaliteediga videopilti. Teisisõnu mahuks ühte veoautosse kõik inimkonna seni salvestatud andmed. 

Meetodil on elektrooniliste kõvaketaste ees teinegi eelis: kuigi DNA-l on oma poolestusaeg, saab seda lugeda ka tuhandeid aastaid hiljem. Enamgi veel DNA kasutab andmete kodeerimiseks nelja märgiga tähestikku. Tänapäevaste DNA järjendamismasinatega käib selle koodi lahtimuukimine suhteliselt kiiresti. 

Pigem valmistab teadlastele peavalu andmete kirjutamine: üldjuhul on selleks tarvis sünteesida tähthaaval uued DNA keermed. Praegu suudavad kõige kiiremad DNA kirjutajad sünteesida ühe päeva jooksul umbes 320 miljoni biti väärtuses DNA-andmeid. Sellise kiirusega kuluks grammi DNA kirjutamiseks ligi kaks miljonit aastat. Uuringu ühe autori, Pekingi Ülikooli arvutusbioloogi Long Qiani sõnul ei tasu tehnoloogia seetõttu veel ära.

Oma töös proovisid Qian ja ta kolleegid DNA kirjutamise protsessi kiirendada. Selleks ammutasid nad inspiratsiooni trükitehnoloogiast tuttavatest tüüpidest. Tüübid leiutati Hiinas umbes 1040. aastal m.a.j, ligi 400 aastat enne Johann Gutenbergi trükipressi. Algselt valmistati tüüpe portselanist, hiljem metallist. 

Qiani töörühm vajas samuti piltlikult öeldes paberit ja tüüpe. Paberi jaoks sünteesisid nad pikad standardiseeritud üheharulised DNA keerme nn algjupid. Tüüpide jaoks valmistasid nad sadu lühikesi üheharulisi nn DNA-klotse. Kõik klotsid olid 24 nukleotiidi ehk pärilikkusaine ehituskivi pikkused. Klotside koodijärjendid loodi viisil, et need seonduks DNA algjupi ehk paberi kindla piirkonnaga.

Kui paber ja tüübid käes, võttis töörühm appi rakkudes toimuva loodusliku protsessi nimega metüülimine. Metüülrühmade lisamine muudab muu hulgas geenide avaldumist. Teadlased tähistasid aga nende toel oma DNA-st trükiklotsid digitaalselt nulli (0) või ühega (1). DNA-ga andmete talletamiseks lisasid Qian ja kolleegid oma metüülimisprotsessi ensüümi, mis lisas metüülrühmi ainult 1-ga kodeeritud DNA klotsidele. Seevastu 0-ga kodeeritud klotsid jäid metüülrühmata. 

Nagu renessansi trükikoja ladujad, valisid ka uuringu autorid nüüd välja klotsid, mis ühilduksid nn paberiga õiges ühtede ja nullide järjestuses. See võimaldas neil ära kodeerida mistahes digitaalseid faile. Piltlikult leidsidki klotsid lahusesse asetatuna paberil üles õige koha ja kinnitusid just sinna.

Viimase sammuna tuli töörühmal katta oma tüübid nn tindiga ja vajutada vastu paberit. Selleks lisasid nad protsessi metüültransferaasina tuntud ensüümi. Ensüüm kopeeris kõik klotsidel olevad metüülrühmad klotsi kõrval paiknevale DNA algjupile. Tehtud koopiaid oli võimalik lugeda turuloleva DNA järjendamismasinaga. Ühtekokku näitlikustas töörühm meetodi toimivust ligi 27 000 biti mahus andmeid kätkevate failide kirjutamise ja lugemisega. Sellest piisas, et kodeerida kõrge kvaliteediga pildid näiteks tiigrist ja hiidpandast.

Qiani sõnul maksab nende meetodil andmete kirjutamine praegu umbes 0,003 eurot biti kohta. DNA sünteesi pakkuvad firmad küsivad praegu iga nukleotiidi eest vähem raha. Sellest hoolimata usub Qian, et meetodit kommertsialiseerides saaks kulusid vähendada, kui kasutada katsega võrreldes näiteks vähem reaktiivaineid.

Igal juhul näitas uuring tema sõnul, kuidas DNA-d on võimalik kirjutada senisest märksa kiiremini. Tema hinnangul võiks uue meetodi kommertsvariandis talletada ühes päevas kuni kahe terabaidi jagu infot. Seda oleks ligikaudu 6000 korda rohkem, kui saab teha praegu laiatarbe DNA-sünteesijatega. Qian ja kolleegid otsivad nüüd võimalusi, kuidas lisada DNA algjuppidele metüülrühmade kõrval teisigi keemilisi markereid. Nii oleks võimalik kodeerida uue uuringuga võrreldes veel enam andmeid veelgi kiiremini. 

Uuring ilmus ajakirjas Nature.