東南大学の中国科学者チームが、DNAに情報を保存する画期的な方法を開発しました。Science誌に掲載された研究論文で、チームは単一の電極を用いたDNA合成・配列決定技術を実証しました。これにより、科学者たちはこれまでこの目的で用いられてきた、より長く不安定な化学プロセスを省略し、プロセスを大幅に簡素化・高速化することに成功しました。
DNAをストレージ媒体として使うことは新しいことではありません。リチャード・B・ファインマンが1959年に初めて提案しました。DNAが最初から魅力的だったのは、それ自体が既にストレージデバイスとして機能し、しかも膨大な記憶密度を備えているからです。DNAは1グラムあたり455エクサバイトの密度で情報を保存できます。簡単に言えば、平均720グラム、20TBのHDDのストレージ密度は1グラムあたり0.027TBです。ですから、この道を追求することがなぜ興味深いのかは明らかです。
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同じ Au 電極上での DNA 合成と配列決定に基づくデータ ストレージ システムの概略図。
( A ) DNAベースのデータストレージの生成手順を示す図。 ( B ) 電極上でのDNA合成のための電気化学的に誘発されるホスホラミダイト化学の図。(I) ジメチルトリチル(DMT)保護基を持つホスホラミダイトヌクレオチドモノマーが、電極/DNA分子上の遊離ヒドロキシル基と反応してホスファイト結合を形成する。(II) ホスファイト結合はヨウ素によって酸化され、より安定したリン酸結合となる。(III) 次に、電極に正電位を印加してプロトンを発生させる。ヌクレオチド上の酸に不安定なDMT保護基が除去され、次のサイクルでの追加のために別の遊離ヒドロキシル基が露出する。( C ) シーケンシング・バイ・シンセシスプロセスにおける電荷再分配に基づく、同じ電極上でのDNAシーケンシング方法の図。(IV) 既知のデオキシリボヌクレオシド三リン酸(dNTP)とDNAポリメラーゼが添加される。次に、ポリメラーゼはプライマーDNAと相補的な鋳型DNAに結合します。(V) カップリング反応でプロトンが除去され、プロトンの拡散によって電荷再分配が誘導され、塩基識別のための過渡電流信号が生成されます。( D ) DNA合成とシーケンシングを統合するSlipChipデバイスの原理を示す模式図。合成用の4種類のホスホラミダイトヌクレオチドモノマー（またはシーケンシング用の4種類のdNTP）がリザーバーに予め充填されています。洗浄液やその他の試薬は、流体チャネルを用いて導入されます。液体の操作は、上部プレートをスライドさせることで行います。
この偉業を達成するために、科学者たちはDNA処理のための全く新しい方法を開発しました。彼らはこれを「スリップチップ」と名付けました。これは基本的に、マイクロ流体経路、トラップ、そしてチャンバーを備えた小型の交換チャンバーで、DNA合成とシーケンシングに必要な様々な化合物間の制御された相互作用を可能にします。必要に応じて上部プレートを再構成することで、DNA操作プロセスを次のステップに進めることができます。
ここで、この技術の電極が登場します。SlipChipにも単一の金電極が内蔵されています。この電極は基本的に2つの状態を定義します。1つはDNAとの接触がない状態（0）で、もう1つはプロセス中に急上昇する潜在電流によって生成されるDNA配列の存在を単に識別する状態（1）です。
研究者らによると、これはプロセス全体の簡素化とセキュリティ強化に大きく貢献するという。現在のDNA保存方法は「通常、各ステップで複雑な液体操作と、その間の手作業を伴う。合成ステップでホスホラミダイトヌクレオチドモノマーを1つ添加するだけで、少なくとも4種類の溶液の導入が必要となり、シーケンシングステップも必要となる。そのため、この技術のスケールアップ能力は制限され、エラーの可能性も高まる」と研究者らは述べている。
この新技術により、DNA保存におけるいくつかの障害が解消されました。従来のDNA処理方法（大型で非実用的）で使用されていた装置は不要になり、手順は簡素化され、手作業による介入なしに実行できるため、エラーが減少します。さらに、このプロセス全体が、DNA合成・保存・検索機能を備えたシステムオンチップ（SlipChip）に凝縮されました。これは、DNAデータ保存研究における産業革命版と言えるでしょう。
実験では、研究者らはサウスイースタン大学のモットー「最高の卓越性に安らぎあれ！」をバイナリデータで記述し、これをATCG（四元）DNA塩基配列にエンコードしました。この塩基配列は、この過程でDNAに合成されます。得られたDNAをシーケンシング（読み取り）した結果、チームはまず87.22%という高い精度を達成しました。エンコード段階でデータの冗長性を持たせることでエラー訂正機能を追加することで、切望されていた100%の精度を実現しました。
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このプロセスが実際にどれほど高速だったのか疑問に思っている人もいるかもしれないが、実際にはそうではない。研究者たちは、単一の電極で約 0.5 バイト/時で書き込みと読み取りを行うことができた。この数字は、私たちの生活の 1 分間のデジタル フットプリント全体を考えると途方もなく遅いものであり、意味のあるストレージ スペースとしてはなおさらだ。しかし、このプロセスは、現在の設計どおりにスケールアップすることが可能だ。電極の数を 4 つに増やしたところ、研究者たちは 20 バイトのデータの書き込みと読み取りに約 14 時間かかり、平均 1.43 バイト/時という結果になった。これは、すでに遅いプロセスに不完全なスケーリングを施したものだ。しかし、ここからもスケーリングや改善を行うための手法は存在する。Intel の Pentium が 1993 年に 60 MHz でスタートしたことを忘れてはならない。
DNAベースのストレージが実質的な容量を実現するには、まだ道のりは遠い。大幅な速度向上は依然として必要だが、これはあらゆる分野で当たり前のこととなっている。DNAストレージのカンブリア爆発がまだ来ていないとすれば、これはその道のりにおける重要な一歩となるだろう。
Francisco Pires 氏は、Tom's Hardware のフリーランス ニュース ライターであり、量子コンピューティングに関心を持っています。
