Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Светочувствительный белок увеличит емкость лазерных дисков до 50 терабайт


Трехмерная структура молекулы бактериородопсина.

Трехмерная структура молекулы бактериородопсина.

Американские ученые разработали принципиально новый тип носителя информации. позволяющий записывать на обычный лазерный диск до 50 терабайт. В качестве ячейки, хранящей один бит информации, ученые использовали молекулы белка бактериородопсина в двух конфигурациях, которые могут переходить одна в другую под действием света определенной длины волны.


Профессор Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) при Гарвардском университете (Harvard University) Венкатесан Ренугопалакришнан (Venkatesan Renugopalakrishnan) с коллегами предложили революционную технологию записи информации, которая в ближайшие годы, возможно, полностью вытеснит CD и DVD. Открытие было анонсировано на Международной конференции по наноисследованиям и нанотехнологиям 2006 (International Conference on Nanoscience and Nanotechnology 2006), проходившей с 3 по 7 июля в Брисбэйне (Brisbane) в Австралии. По словам исследователей, технология позволяет записывать на обычный лазерный диск до 50 терабайт информации, то есть приблизительно в десять тысяч раз больше чем на традиционный DVD.


В дисках нового поколения в качестве носителя информации используется слой генетически модифицированного мембранного белка бактериородопсина галобактерии Halobacterium salinarum. Эти прокариоты вместе со своими родственниками выделяются в отдельное царство живых организмов – археи (Archea) или архебактерии (Archebacteria) и даже в одну из трех «империй» (две другие это - бактерии и эукариоты, имеющие ядро высшие организмы, к которым относятся животные, растения и грибы). Прокариоты принципиально отличаются устройством клетки и генетического аппарата, как от бактерий, так и от эукариот. Галобактерии (от греческого galos - «соль») живут в условиях высокой концентрации соли - в горячих соляных источниках. Они накапливают органическое вещество и энергию за счет процесса фотосинтеза. Однако механизм их фотосинтеза существенно отличается от механизма фотосинтеза растений.


В отличие от растений и водорослей, фотосинтез которых осуществляется с помощью хлорофилла, процесс фотосинтеза у галобактерий происходит при помощи пурпурного пигмента бактериородопсина. Этот белок встроен у них в так называемые пурпурные мембраны, составляющие примерно половину поверхности клетки. Его макромолекула состоит из собственно белковой части (бактериопсина), пронизывающего мембрану семью альфа-спиралями, и спрятанного в глубине молекулы небелкового кофермента - ретиналя (ретинальдегида). Эта небелковая часть отделяется от белковой молекулы при поглощении кванта света определенной длины волны, а именно зеленого света (максимум поглощения - 568 нанометров), но может присоединиться снова. Трехмерная структура бактериородопсина была раскрыта в 1990 году методами электронной кристаллографии. Белок работает как протонная помпа: при поглощении кванта света он выталкивает из клетки протон, увеличивая электрический потенциал на пурпурной мембране. Эта электрохимическая энергия затем преобразуется в другие виды энергии, которые запасается в различных органических соединениях. Молекула же бактериородопсина в темноте восстанавливает целостность и вновь становится пригодной к работе.


Бактериородопсин похож на воспринимающий свет белок палочек и колбочек глаза - родопсин, сходству с которым обязан и своим названием. Родопсин также состоит из белковой части (опсина или скотопсина), хотя и с совсем другой аминокислотной последовательностью, чем у бактериородопсина, и ретиналя (производящегося в организме из витамина А, который, как известно, критически необходим для зрительного восприятия).


Плотность расположения родопсина в складчатых мембранах фоторецепторных клеток сетчатки и бактериородопсина в пурпурных мембранах галобактерий весьма велика. Молекулы белка образуют в обоих случаях плотную двумерную упаковку, близкую к кристаллической. Около десяти лет назад на научном семинаре «Клетка» в МГУ мы обсуждали возможность записи информации на этих квазикристаллических структурах с помощью света. Наверняка эта идея приходила в голову и многим другим исследователям. Однако ее реализации мешала легкая обратимость диссоциации макромолекул родопсина и бактериородопсина. Это ключевое затруднение удалось преодолеть американским ученым.


Группа профессора Ренугопалакришнана изменила ген бактериородопсина таким образом, что после распада под действием света диссоциированное состояние молекулы сохраняется неограниченно долго – по крайней мере, несколько лет. Это позволяет записывать при помощи лазера на молекулы белка информацию в виде двумерной или линейной последовательности нулей (целых, ассоциированных молекул) и единиц (диссоциированных молекул), сохранять и считывать ее. В современных компакт-дисках для этой цели используются линейная последовательность (в виде спиральной дорожки) углублений (питов, от англ. pit – «углубление», «яма») около 125 нанометров в глубину и 500 нанометров в ширину, выдавленных на поликарбонатном слое с отражающей свет подложкой из алюминия, при расстоянии между соседними витками в 1,5 микрометр. На DVD и Blu-ray дисках эти параметры меньше, что и позволяет записывать на эти носители больше информации.


Полностью детали бактериородопсиновой технологии пока не разглашаются. Известно, что ученые при поддержке японской корпорации NEC уже создали прототип диска с белковым носителем. В ближайшие полтора-два года ожидается выход на рынок дисков нового поколения и устройств для их записи и считывания. Если это произойдет, это будет крупнейший технологический прорыв за всю историю лазерных носителей информации.


XS
SM
MD
LG