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.