Научные исследования в области хранения данных стремительно движутся вперед, и недавнее открытие может стать решающим шагом к созданию полноценного ДНК-компьютера. Новая технология, способная хранить петабайты данных в молекулах ДНК на протяжении тысяч и даже миллионов лет, была протестирована в роли своеобразного компьютера, уже способного играть в японскую традиционную головоломку судоку. Давайте более подробно рассмотрим, как работает эта система и её потенциальные применения.
Природный носитель данных
Каждая клетка нашего тела может хранить около 800 МБ данных, а поскольку нас миллиарды, то, по сути, мы являемся ходячими, говорящими суперкомпьютерами. Это делает изучение и использование ДНК для хранения данных достаточно привлекательным для ученых. Несмотря на очевидные преимущества, использование ДНК в качестве носителя информации имеет свои сложности, такие как хрупкость молекул и трудности с записью, чтением и обработкой информации.
Новая система для хранения данных
Недавнее исследование предложило решение этих проблем. Ключевым аспектом является новый мягкий полимерный материал, который служит каркасом для ДНК. Он может быть обезвожен для долгосрочного хранения и ре-гидратирован для извлечения данных. Один из авторов исследования, объясняет: «Мы создали полимерные структуры, которые называем дендрикаллоиды. Они имеют микроскопические размеры и образуют сложную сеть нано-волокон, что позволяет помещать ДНК среди этих волокон без потери плотности данных, что делает ДНК привлекательным для хранения информации в первую очередь».
Переход на следующий уровень плотности данных
Данная технология обеспечивает невероятно высокую плотность хранения данных — до 10 петабайтов на кубический сантиметр. В терминах, это эквивалентно 10 миллионам гигабайт информации в объеме размером с кубик сахара. Части данных, введенные в дендрикаллоиды, хранятся надежнее, чем в обычных молекулах ДНК. В том числе, такая система позволяет провести более 170 циклов обезвоживания/ре-гидратации по сравнению с 60 циклами для ДНК без оболочки.
Долгосрочное архивирование
Как и другие технологии на основе ДНК, этот подход наиболее подходит для долгосрочного архивного хранения. Ученые предсказывают, что ДНК, хранящаяся на полимерных нано-волокнах, будет иметь период полураспада около 6000 лет при хранении при температуре 4°C и впечатляющие 2 миллиона лет при замораживании при -18°C.
Процесс записи и извлечения данных
Для записи данных используются алгоритмы, которые преобразуют информацию в последовательности нуклеотидов — знакомые буквы ACGT, составляющие код ДНК. Конкретные куски информации могут быть извлечены с помощью молекул РНК, которые копируют данные из ДНК, а затем производится секвенирование этой РНК. Это позволяет избежать разрушения ДНК при считывании, что является ограничением для существующих методов.
Прямые вычисления в ДНК
Новая система делает возможным также выполнение вычислений непосредственно в ДНК с использованием ферментов. Это было продемонстрировано решением упрощенных задач, таких как шахматы 3x3 и судоку. Кевин Лин, ведущий автор исследования, отметил: «Способность отличать информацию ДНК от нано-волокон, на которых она хранится, позволяет нам выполнять многие функции, доступные в электронных устройствах. Мы можем напрямую копировать информацию без повреждения ДНК, а также удалять определенные участки и переписывать информацию, как на жестком диске».
Перспективы будущего
Эта разработка может открывать новые горизонты не только для хранения данных на основе ДНК, но и для создания полноценных ДНК-компьютеров, которые могут выполнять вычислительные задачи на основе биологических молекул. Исследование, представленное в журнале Nature Nanotechnology, может стать основой для следующего этапа в эволюции компьютерных технологий, вводя нас в эпоху, где биология и вычисления будут тесно переплетены.
Данный прорыв может повлиять на множество областей, включая архивирование данных, биоинформатику, а также разработку новых, более эффективных средств обработки и хранения информации. Использование ДНК как носителя данных открывает новые перспективы и поднимает множество вопросов о будущем вычислительной техники и о том, как мы можем использовать природу для достижения технологических прорывов.
Спасибо, что были с нами!
Читайте нас еще и в телеграм-канале