Світлочутливий білок збільшить місткість лазерних дисків до 50 терабайт

Американські учені розробили принципово новий тип носія інформації, що дозволяє записувати на звичайний лазерний диск до 50 терабайт. У якості чарунка, що зберігає один біт інформації, учені використали молекули білка бактеріородопсину в двох конфігураціях, які можуть переходити одна в іншу під дією світла певної довжини хвилі.

Тривимірна структура молекули бактеріородопсину

Професор Гарвардської медичної школи (Harvard Medical School) при Гарвардському університеті (Harvard University) Венкатесан Ренуґопалакрішнан (Venkatesan Renugopalakrishnan) з колегами запропонували революційну технологію запису інформації, яка найближчими роками, можливо, повністю витіснить CD і DVD. Відкриття було анонсоване на Міжнародній конференції з нанодосліджень і нанотехнологій 2006 (International Conference on Nanoscience and Nanotechnology 2006), що відбувається з 3 по 7 липня в Брісбейне (Brisbane) в Австралії. За словами дослідників, технологія дозволяє записувати на звичайний лазерний диск до 50 терабайт інформації, тобто приблизно в десять тисяч раз більш ніж на традиційний DVD.

У дисках нового покоління як носій інформації використовується шар генетично модифікованого мембранного білка бактеріородопсину галобактерії Halobacterium salinarum. Ці прокаріоти разом зі своїми родичами виділяються в окреме царство живих організмів – археї (Archea) або архебактерії (Archebacteria) і навіть в одну з трьох „імперій” (дві інші це - бактерії і єукаріоти, вищі організми, що мають ядро, до яких відносяться тварини, рослини та гриби). Прокаріоти принципово відрізняються бубовою клітини і генетичного апарату, як від бактерій, так і від єукаріот. Галобактерії (від грецького galos – „сіль”) живуть в умовах високої концентрації солі - в гарячих соляних джерелах. Вони накопичують органічну речовину і енергію за рахунок процесу фотосинтезу. Проте механізм їх фотосинтезу істотно відрізняється від механізму фотосинтезу рослин.

На відміну від рослин і водоростей, фотосинтез яких здійснюється за допомогою хлорофілу, процес фотосинтезу у галобактерій відбувається за допомогою пурпурного пігменту бактеріородопсину. Цей білок вбудований в них у так звані пурпурні мембрани, що складають приблизно половину поверхні клітки. Його макромолекула складається з власне білкової частини (бактеріопсину), пронизуючими мембрану сімома альфа-спіралями, і захованого в глибині молекули небілкового коферменту - ретіналя (ретінальдегіда). Ця небілкова частина відділяється від білкової молекули при поглинанні кванта світла певної довжини хвилі, а саме зеленого світла (максимум поглинання - 568 нанометрів), але може приєднатися знову. Тривимірна структура бактеріородопсину була відкрита у 1990 році методами електронної кристалографії. Білок працює як протонна помпа: при поглинанні кванту світла він виштовхує з клітини протон, збільшуючи електричний потенціал на пурпурній мембрані. Ця електрохімічна енергія потім перетвориться в інші види енергії, які запасаються в різних органічних сполуках. Молекула ж бактеріородопсину в темноті відновлює цілісність і знов стає придатною до роботи.

Бактеріородопсин схожий на сприймаюче світло білок паличок і колб ока - родопсин, схожості з яким зобов'язаний і своєю назвою. Родопсин також складається з білкової частини (опсину або скотопсину), хоча і з зовсім іншою амінокислотною послідовністю, ніж у бактеріородопсина, і ретіналя (що виробляється в організмі з вітаміну А, який, як відомо, критично необхідний для зорового сприйняття).

Густина розташування родопсину в складчастих мембранах фоторецепторних кліток сітківки і бактеріородопсину в пурпурних мембранах галобактерій вельми велика. Молекули білка утворюють в обох випадках щільну двовимірну упаковку, близьку до кристалічної. Близько десяти років тому на науковому семінарі „Клітка” в МГУ (Росія) обговорювалася можливість запису інформації на цих квазікристалічних структурах за допомогою світла. Напевно ця ідея приходила в голову і багатьом іншим дослідникам. Проте її реалізації заважала легка оборотність дисоціації макромолекул родопсину та бактеріородопсину. Це ключове ускладнення вдалося подолати американським вченим.

Група професора Ренугопалакрішнана змінила ген бактеріородопсину таким чином, що після розпаду під дією світла дісоційований стан молекули зберігається необмежено довго – принаймні, декілька років. Це дозволяє записувати за допомогою лазера на молекули білка інформацію у вигляді двовимірної або лінійної послідовності нулів (цілих, асоційованих молекул) і одиниць (дісоційованих молекул), зберігати і прочитувати її. У сучасних компакт-дисках для цих цілей використовуються лінійна послідовність (у вигляді спіральної доріжки) поглиблень (пітів, від англ. pit – „поглиблення”, „яма”) близько 125 нанометрів в глибину і 500 нанометрів завширшки, видавлених на полікарбонатному шарі з підкладкою, що відображає світло, з алюмінію, при відстані між сусідніми витками в 1,5 мікрометр. На DVD і Blu-ray дисках ці параметри менші, що і дозволяє записувати на ці носії більше інформації.

Повністю деталі бактеріородопсинової технології поки не розголошуються. Відомо, що учені за підтримкою японської корпорації NEC вже створили прототип диску з білковим носієм. У найближчі півтора-два роки очікується вихід на ринок дисків нового покоління і пристроїв для їх запису та прочитування. Якщо таке станеться, це буде найбільший технологічний прорив за всю історію лазерних носіїв інформації.