До 20-річного ювілею свого альбому «Mezzanine» британський гурт Massive Attack вирішив увічнити його шляхом запису у формі ДНК. За словами вчених з Вищої технічної школи Цюріха, які допоможуть музикантам здійснити задумане, порівняно зі звичайним цифровим носієм, у вигляді нуклеїнової кислоти альбом буде зберігатися практично нескінченно. Редакція розповідає, яким чином можна записати музику в ДНК і які переваги і недоліки є у цього носія.
Альбом британського експериментального електронного гурту Massive Attack «Mezzanine» був офіційно випущений 20 квітня 1998 року і став найбільш комерційно успішним релізом команди. Відразу після виходу у світ він очолив британські чарти, а до 2013 року став двічі платиновим. Є ви шанувальником Massive Attack чи ні, їх творчість вам з великою ймовірністю знайоме - трек «Teardrop» з альбому «Mezzanine» звучав у заставці до суперпопулярного серіалу «Доктор Хаус».
Відзначити ювілей улюбленого дітища група вирішила оригінальним чином - у день народження «Mezzanine» музиканти оголосили, що закодують його у формі ДНК. Реалізувати проект пообіцяли вчені з лабораторії функціональних матеріалів Швейцарської вищої технічної школи Цюріха під керівництвом Роберта Грасса.
Відволікаємося тепер від музики і пояснимо, яким чином можна закодувати цифрову інформацію у формі ДНК. ДНК складається всього з чотирьох структурних одиниць - азотистих підстав A, T, G і С. У живих клітинах ДНК зберігає інформацію про послідовність білків у формі триплетного коду, де трибуквена послідовність (наприклад, AAG) відповідає амінокислоті.
Цифрова інформація існує у вигляді двійкового коду, що реалізується за допомогою двох символів - нуля та одиниці. Якщо брати символи попарно, то нуль і одиниця дадуть якраз чотири комбінації, яким можна поставити у відповідність «букви» ДНК. Така схема є найпростішою, але в реальності дослідники застосовують і інші, більш складні, схеми відповідності кодів, наприклад з використанням троїчної системи обчислення.
Ідея зберігання будь-якої інформації у формі ДНК стала популярною в 2012 році, коли Джордж Черч з Гарвардського університету з колегами в статті описали переклад «мовою ДНК» HTML-коду голови з підручника розміром 5,27 мегабіт і спосіб її прочитання. У 2013 році їхні конкуренти з Європейського інституту біоінформатики опублікували як приклад кодування п'яти цифрових файлів різного формату загальним розміром 739 кілобайт.
Файли містили 154 сонети Шекспіра, статтю Вотсона і Крика про розшифровку структури ДНК, кольорову фотографію інституту, 26-секундний уривок з промови Мартіна Лютера Кінга «У мене є мрія», а також інструкцію з розшифровки коду. Підсумковий носій представляв із себе набір коротких фрагментів ДНК (олігонуклеотидів), які перекривалися між собою з метою дублювання інформації. Прочитання послідовностей ДНК і зворотне розшифрування коду показали, що інформацію можна отримати з практично 100-відсотковою точністю.
Після статті 2013 року інженери почали серйозно цікавитися ДНК як потенційним носієм інформації. До розробок у цій сфері обіцяли підключитися Microsoft і DARPA. Основними перевагами такого способу зберігання є довговічність і висока щільність запису. За оцінками вчених, грам ДНК може містити майже зеттабайт (мільярд терабайт) інформації. Таким чином, вся цифрова спадщина людства може вміститися в декількох коробках (роздуми вчених на цю тему можна почитати в нашому блозі «Бібліотеки майбутнього будуть зроблені з ДНК»).
Зберігатися молекули можуть дуже довго - згадайте, як фахівці з давньої ДНК розшифровують геноми стародавніх людей, які жили десятки тисяч років тому. Для порівняння, термін служби CD-диска становить близько 30 років. Крім того, ДНК дуже легко розмножити - в бактеріальних клітинах або в пробірці за допомогою полімеразної ланцюгової реакції можна за короткий час зробити мільйони копій.
Зрозуміло, у перспективного методу є і свої недоліки, головний з яких - технічно складний і дорогий синтез і розшифровка послідовностей ДНК. Незважаючи на стрімке здешевлення технологій прочитування, технології синтезу не сильно просунулися вперед з часу публікації статті в, коли вартість отримання мегабайту інформації у формі ДНК оцінювалася в 12 тисяч доларів. Крім того, сучасні машини вміють синтезувати тільки відносно короткі послідовності нуклеїнових кислот.
Як синтез, так і прочитання можуть супроводжуватися помилками - втім, останній фактор досить легко усунути шляхом дублювання. Нарешті, хоча ДНК теоретично може зберігатися довго, для цього необхідно дотримуватися особливих вимог - умовно, лежачи на полиці в бібліотеці молекули дуже швидко розваляться під дією фізичних і хімічних факторів середовища.
У цьому місці ми повернемося до творчого об'єднання музикантів з Massive Attack зі швейцарськими вченими. У 2015 році Роберт Грасс з колегами запропонували новий спосіб довгострокового зберігання ДНК за допомогою упаковки молекул у полімерні кульки. Вимірявши швидкість деградації ДНК в такій упаковці при різних умовах, вчені зробили висновок, що при зберіганні в морозилці «термін придатності» носія складе до мільйона років, а зберігання при середній температурі 10 градусів Цельсія (умовно, де-небудь в Центральній Європі) дасть можливість розшифрувати інформацію через дві тисячі років.
Саме в такій формі вчені планують зберегти для нащадків альбом «Mezzanine». Цифровий файл розміром 15 мегабайт у форматі Opus, який дозволяє краще зберегти якість, ніж mp3-стиснення, буде переведений в 920 тисяч коротких послідовностей ДНК. Молекули потім будуть упаковані в п'ять тисяч кульок нанометрового розміру, які помістять у пробірку з водою. За словами Грасса, процес виготовлення найбільш просунутого музичного носія займе пару місяців.
Альбом стане тільки другим за величиною проектом, закодованим у ДНК - перше місце належить Microsoft з набором файлів у 200 мегабайт. Не стануть Massive Attack і піонерами в області шифрування музики - інженери з Microsoft вже закодували в ДНК композиції Deep Purple і Майлса Девіса (Miles Davis).
Хотілося б знати, чи зможуть нащадки через сотні років на дозвіллі дістати з морозилки «Mezzanine» і послухати його (як ви можете зробити зараз, наприклад, тут), або музикантам у прагненні до вічної слави краще було б покластися на старий добрий нотний зошит - цей носій поки що зарекомендував себе з кращого боку, зберігши для нас твори середньовічних композиторів. На жаль, цього не дізнаються і самі музиканти.