Нуклеиновая музыка и не только

К 20-летнему юбилею своего альбома “Mezzanine” британская группа Massive Attack решила увековечить его путем записи в форме ДНК. По словам ученых из Высшей технической школы Цюриха, которые помогут музыкантам осуществить задуманное, по сравнению с обычным цифровым носителем, в виде нуклеиновой кислоты альбом будет храниться практически бесконечно. Редакция N + 1 рассказывает, каким образом можно записать музыку в ДНК и какие преимущества и недостатки есть у этого носителя.

Альбом британской экспериментальной электронной группы Massive Attack “Mezzanine” был официально выпущен 20 апреля 1998 года и стал самым коммерчески успешным релизом команды. Сразу после выхода в свет он возглавил британские чарты, а к 2013 году стал дважды платиновым. Являетесь вы поклонником Massive Attack или нет, их творчество вам с большой вероятностью знакомо — трек “Teardrop” с альбома “Mezzanine” звучал в заставке к суперпопулярному сериалу «Доктор Хаус».

Отметить юбилей любимого детища группа решила оригинальным образом — в день рождения “Mezzanine” музыканты объявили, что закодируют его в форме ДНК. Реализовать проект пообещали ученые из лаборатории функциональных материалов Швейцарской высшей технической школы Цюриха под руководством Роберта Грасса.

Отвлечемся теперь от музыки и поясним, каким образом можно закодировать цифровую информацию в форме ДНК. ДНК состоит всего из четырех структурных единиц — азотистых оснований A, T, G и С. В живых клетках ДНК хранит информацию о последовательности белков в форме триплетного кода, где трехбуквенная последовательность (например, AAG) соответствует аминокислоте.

Цифровая информация существует в виде двоичного кода, реализуемого при помощи двух символов — нуля и единицы. Если брать символы попарно, то ноль и единица дадут как раз четыре комбинации, которым можно поставить в соответствие «буквы» ДНК. Такая схема является самой простой, но в реальности исследователи применяют и другие, более сложные, схемы соответствия кодов, например с использованием троичной системы исчисления.

Идея хранения любой информации в форме ДНК стала популярной в 2012 году, когда Джордж Черч из Гарвардского университета с коллегами в статье в Science описали перевод «на язык ДНК» HTML-кода главы из учебника размером 5,27 мегабит и способ ее прочтения. В 2013 году их конкуренты из Европейского института биоинформатики опубликовали в Nature пример кодирования пяти цифровых файлов разного формата общим размером 739 килобайт.

Файлы содержали 154 сонета Шекспира, статью Уотсона и Крика о расшифровке структуры ДНК, цветную фотографию института, 26-секундный отрывок из речи Мартина Лютера Кинга «У меня есть мечта», а также инструкцию по расшифровке кода. Итоговый носитель представлял из себя набор коротких фрагментов ДНК (олигонуклеотидов), которые перекрывались между собой с целью дублирования информации. Прочтение последовательностей ДНК и обратная расшифровка кода показали, что информацию можно извлечь с практически 100-процентной точностью.

После статьи 2013 года инженеры стали всерьез интересоваться ДНК как потенциальным носителем информации. К разработкам в этой сфере обещали подключиться Microsoft и DARPA. Основными преимуществами такого способа хранения являются долговечность и высокая плотность записи. По оценкам ученых, грамм ДНК может содержать почти зеттабайт (миллиард терабайт) информации. Таким образом, все цифровое наследие человечества может уместиться в нескольких коробках (размышления ученых на эту тему можно почитать в нашем блоге «Библиотеки будущего будут сделаны из ДНК»).

Храниться молекулы могут очень долго — вспомните, как специалисты по древней ДНК расшифровывают геномы древних людей, которые жили десятки тысяч лет назад. Для сравнения, срок службы CD-диска составляет около 30 лет. Кроме того, ДНК очень легко размножить — в бактериальных клетках или в пробирке при помощи полимеразной цепной реакции можно за короткое время сделать миллионы копий.

Разумеется, у перспективного метода есть и свои недостатки, главный из которых — технически сложный и дорогой синтез и расшифровка последовательностей ДНК. Несмотря на стремительное удешевление технологий прочитывания, технологии синтеза не сильно продвинулись вперед со времени публикации статьи в Nature, когда стоимость получения мегабайта информации в форме ДНК оценивалась в 12 тысяч долларов. Кроме того, современные машины умеют синтезировать только относительно короткие последовательности нуклеиновых кислот.

Как синтез, так и прочтение могут сопровождаться ошибками — впрочем, последний фактор довольно легко устранить путем дублирования. Наконец, хотя ДНК теоретически может храниться долго, для этого необходимо соблюдать особые требования — условно, лежа на полке в библиотеке молекулы очень быстро развалятся под действием физических и химических факторов среды.

В этом месте мы вернемся к творческому объединению музыкантов из Massive Attack с швейцарскими учеными. В 2015 году Роберт Грасс с коллегами предложили новый способ долгосрочного хранения ДНК при помощи упаковки молекул в полимерные шарики. Измерив скорость деградации ДНК в такой упаковке при разных условиях, ученые сделали вывод, что при хранении в морозилке «срок годности» носителя составит до миллиона лет, а хранение при средней температуре 10 градусов Цельсия (условно, где-нибудь в Центральной Европе) даст возможность расшифровать информацию через две тысячи лет.

Именно в такой форме ученые планируют сохранить для потомков альбом “Mezzanine”. Цифровой файл размером 15 мегабайт в формате Opus, который позволяет лучше сохранить качество, чем mp3-сжатие, будет переведен в 920 тысяч коротких последовательностей ДНК. Молекулы затем будут упакованы в пять тысяч шариков нанометрового размера, которые поместят в пробирку с водой. По словам Грасса, процесс изготовления самого продвинутого музыкального носителя займет пару месяцев.

Альбом станет только вторым по величине проектом, закодированным в ДНК — первое место принадлежит Microsoft с набором файлов в 200 мегабайт. Не станут Massive Attack и пионерами в области шифрования музыки - инженеры из Microsoft уже закодировали в ДНК композиции Deep Purple и Майлса Дэвиса (Miles Davis).

Хотелось бы знать, смогут ли потомки через сотни лет на досуге достать из морозилки “Mezzanine” и послушать его (как вы можете сделать сейчас, например, здесь), или музыкантам в стремлении к вечной славе лучше было бы положиться на старую добрую нотную тетрадь — этот носитель пока что зарекомендовал себя с лучшей стороны, сохранив для нас произведения средневековых композиторов. К сожалению, этого не узнают и сами музыканты.