Следующее поколение устройств хранения данных может находиться внутри ДНК

Фото из открытых источников

Поскольку мир генерирует больше цифровой информации, чем когда-либо прежде, ученые стремятся разработать системы хранения, которые были бы более плотными, долговечными и гораздо более защищенными.

Группа исследователей из Университета штата Аризона (ASU) продемонстрировала, как модифицированная ДНК может одновременно выполнять функции хранения и шифрования, потенциально превосходя традиционные кремниевые технологии. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Современные компьютеры используют кремний для хранения и защиты информации. Кремний работает быстро, но для систем хранения данных требуются большие здания, постоянное электропитание и охлаждение. Долгосрочное сохранение информации также остается сложной задачей.

ДНК представляет собой разительный контраст. Крошечное количество ДНК может содержать огромные объемы данных и оставаться стабильным на протяжении тысяч или даже миллионов лет.

«На протяжении десятилетий информационные технологии почти полностью полагались на кремний», — сказал профессор Хао Ян из Школы молекулярных наук в Университете штата Аризона. «Мы демонстрируем, что биологические молекулы, в частности ДНК, могут быть сконструированы таким образом, чтобы хранить и защищать информацию принципиально новыми способами. Рассматривая ДНК не просто как генетический материал, а как информационную платформу, мы можем начать переосмысливать способы хранения, считывания и защиты данных на наномасштабе».

Вместо того чтобы использовать ДНК как длинную цепочку генетических букв, ученые используют ДНК как строительные блоки.

Нити ДНК сложены в крошечные фигуры, почти как бумажное оригами. Каждая фигура обозначает фрагмент информации, подобно тому, как буквы образуют слова.

Информация не поступает из генетического кода. Информация поступает из самой формы. Разные формы означают разные сообщения, подобно разным символам на клавиатуре.

По мере того, как эти крошечные фрагменты ДНК перемещаются через очень маленькие сенсоры, каждый фрагмент создает уникальный электрический сигнал. Компьютерные программы, обученные с помощью машинного обучения, распознают эти сигналы и сопоставляют их с правильным фрагментом ДНК.

После идентификации формы сохраненное сообщение снова становится читаемым. Поскольку считывание генетического материала не требуется, процесс проходит быстрее и обходится значительно дешевле, чем традиционное секвенирование ДНК.

Второе исследование расширяет возможности хранения информации, включая шифрование. Исследователи разрабатывают сложные узоры из ДНК-оригами, в которых информация скрыта внутри наноразмерных структур. Для считывания этих узоров требуются специальные инструменты визуализации и правила декодирования.

Высокоскоростная сверхразрешающая визуализация DNA-PAINT позволяет наблюдать отдельные точки связывания ДНК с нанометровой точностью.

Затем программное обеспечение машинного обучения группирует кластеры сигналов и восстанавливает зашифрованные сообщения. Без правильных правил декодирования закономерности кажутся бессмысленными.

Прокладывание, скольжение и переплетение нитей ДНК создают огромное количество возможных путей сворачивания.

Размер ключа шифрования превышает 700 бит, что значительно больше, чем у распространенных стандартов цифрового шифрования. Несанкционированное расшифровка становится практически невозможной.

Ранее для шифрования с помощью ДНК-оригами использовались медленные методы получения изображений, но высокоскоростная технология DNA PAINT преодолевает это ограничение.

Теперь тысячи структур ДНК можно прочитать за минуты, а не за часы, а алгоритмы кластеризации без учителя анализируют закономерности без обучающих данных, что повышает как скорость, так и точность.

Исследователи добились точности считывания, близкой к 90 процентам, даже для трехмерных форм ДНК.

Стратегии коррекции ошибок дополнительно повышают надежность за счет добавления избыточности в конструкцию шаблонов, гарантируя, что корректные сообщения останутся восстанавливаемыми даже в случае исчезновения некоторых сигналов.

Трехмерное ДНК-оригами также добавляет новый уровень защиты по сравнению с традиционными двухмерными конструкциями. Информация может быть скрыта в глубине, углах и пространственном расположении, что затрудняет расшифровку с помощью обычных инструментов визуализации.

Микроскопия сверхвысокого разрешения позволяет точно фиксировать эти сложные структуры, и исследователи продемонстрировали успешное шифрование и декодирование с использованием каркасных форм и жестких ДНК-структур.

Более жесткие конструкции повышают точность за счет уменьшения гибкости формы.

Исследователи показали, что ДНК может выполнять две важные функции одновременно. ДНК может хранить информацию, а также защищать эту информацию.

Некоторые методы ориентированы на быстрое считывание хранимых данных, подобно тому, как компьютеры считывают файлы. Другие методы направлены на сокрытие информации с помощью сложных структур ДНК, которые очень трудно скопировать или угадать.

Хранение данных на основе ДНК может помочь сохранить большие объемы информации на длительное время. Примерами могут служить научные исследования, исторические записи и медицинские файлы.

Шифрование ДНК также может работать в суровых условиях, таких как высокий уровень радиации или экстремальная жара, где обычная электроника часто выходит из строя.

Это исследование объединяет различные области знаний. Биология предоставляет ДНК, материаловедение помогает придать ей форму, электроника помогает ее расшифровать, а машинное обучение помогает ее декодировать.

ДНК сегодня рассматривается не только как часть живых клеток. Она представляет собой долговечный и надежный способ хранения и защиты информации на будущее.