На протяжении миллиардов лет природа использовала ДНК как молекулярное банковское хранилище; место для хранения ее самых желанных секретов: чертежей дизайна, необходимых для жизни.
В настоящее время исследователи из Института биодозой АГУ исследуют уникальные информационные возможности ДНК, надеясь создать микроскопические формы. Способность шифровать, хранить и извлекать информацию, соперничает с теми, которые имеют полупроводниковые запоминающие устройства на основе кремния, найденные в большинстве компьютеров.
В случае успеха технологии хранения на основе ДНК могли бы в один прекрасный день кодировать все, начиная с позднего квартета Бетховена и заканчивая сезоном Westworld. Информация может быть отпечатана в цифровой форме в последовательных цепочках ДНК, способных соединяться вместе с другими сегментами ДНК и само собираться в желаемую целевую структуру, благодаря свойствам спаривания оснований четырех нуклеотидов ДНК.
Техника ДНК-оригами позволяет создавать произвольные наноструктуры в двухэтапном процессе. Получается длинный сегмент одно цепочечной ДНК, последовательность которой была разработана для складывания в желаемую наноструктуру посредством спаривания оснований. Это известно как Стренга леса. Шаг 2 включает добавление более коротких штапельных нитей, которые направляют складывание и удерживают полученную наноструктуру вместе. Метод позволяет построить практически бесконечный массив форм.
Молекулярная криптография с наноструктурами ДНК оригами включает в себя цифровое кодирование нужной информации в виде точечных узоров внутри нитей ДНК. Зашифрованные данные, хранящиеся в этих информационных цепочках, впоследствии могут быть восстановлены, когда комплементарные штапельные нити заставляют структуру ДНК самопроизвольно складываться в заранее определенный паттерн. Следовательно, основные нити действуют как ключи шифрования. Без них информация не может быть извлечена.
Огромная вариабельность длины последовательности и места связывания основных нитей, используемых для расшифровки сообщений, позволяет использовать исключительно мощную молекулярную криптографию, устойчивую к взлому кода. Действительно, полное использование потенциала шифрования ДНК-оригами позволило бы получить ключ шифрования размером ~1500 бит, что в пять раз превосходит существующий расширенный стандарт шифрования (AES).
Национальный научный фонд недавно одобрил выделение 1,5 миллиона долларов на этот амбициозный проект, который будет использовать навыки разнообразной коллекции ученых, включая исследователей в области химии, биологии, физики, материаловедения и инженерии.
Цао Ян, директор Центра биодозой по молекулярному дизайну и Гомилетике и ведущая фигура в области структурной ДНК-нанотехнологии, является главным исследователем нового проекта: это действительно междисциплинарное исследование. Проект объединяет химию, оптику, физику твердого тела, электронику и машинное обучение, сказал Ян. (Ян также является выдающимся профессором Милтона Д. Блика в АГУ и исследователем в Школе молекулярных наук.)
Существуют два заметных препятствия для реализации технологий хранения информации ДНК, каждое из которых рассматривается в новом проекте.
Во-первых, считывание обычных ДНК-воспоминаний должно было опираться на дорогостоящие, громоздкие и подверженные ошибкам методы секвестирования ДНК. Для зашифрованных наноструктур Нан опоры на основе сапфира позволят быстро считывать ультратонкие гороскопические узоры на структурах ДНК, что имеет решающее значение для шифрования с высоким уровнем безопасности.
Максимизация временное разрешение при минимизации шума считывания и результирующих ошибок.
Этот прогресс достигается путем замены кремния, обычно используемого в качестве основного материала в конструкции устройства, но проводящего и склонного к высокому шуму, на сапфир, изолирующий кристалл с низким уровнем шума. Кроме того, этот тип считывания Нан опор может быть развернут как портативное устройство, подобное USB-ключу, и непосредственно подключен к компьютеру для декодирования компакт-дисков, фильмов и т. д.
Второе серьезное препятствие связано с точной характеристикой полученных наноструктур ДНК. Это будет достигнуто с помощью метода, известного как ДНК-краска, новейшего метода микроскопии сверх разрешения, который позволяет исследователям наблюдать мельчайшие фотоформы ДНК значительно ниже классического дифракционного предела света. Это позволит повысить пропускную способность шифрования на несколько порядков по сравнению с ранее применявшейся атомно-силовой микроскопией.
