На вашем телефоне заканчивается место? Не спешите продлевать подписку на облачное хранилище. Ученые из Китая обнаружили, что изображения, текстовые файлы и другие цифровые данные можно хранить в цепочках ДНК, соединенных с пластиковой лентой длиной 330 футов (100 метров), на которой можно разместить эквивалент 3 миллиардов песен.
Это далеко от устройства, созданного Microsoft в 2016 году, которому удалось втиснуть 200 мегабайт данных в мазок ДНК, "намного меньший, чем кончик карандаша".
Новую «ленту» можно даже вставить в устройство, похожее на кассетный плеер, которое сканирует полосу, находит нужный файл и извлекает его по запросу. Команда описала свои выводы в исследовании, опубликованном 10 сентября в журнале Science Advances.
ДНК — это длинная двухцепочечная молекула, состоящая из уникальной последовательности четырёх химических оснований — аденина (A), цитозина (C), гуанина (G) и тимина (T), — которые вместе кодируют генетическую информацию организма. Точно так же каждый цифровой файл в конечном счёте представляет собой комбинацию единиц и нулей, которую компьютер может интерпретировать как PDF, JPEG или файл другого типа.
Если бы каждая основа представляла собой определённую последовательность нулей и единиц, то фрагмент искусственной ДНК можно было бы закодировать так, чтобы он содержал двоичный код для цифровых файлов. Молекулы такого типа не происходят от живых организмов, а создаются в лаборатории путём соединения заранее изготовленных нуклеотидных строительных блоков в нужной последовательности.
Именно это сделали учёные перед тем, как напечатать закодированную ДНК на длинном отрезке ленты. Раствор, содержащий нити, пропускали через полоску, чтобы они адсорбировались на поверхности полимера.
«ДНК может стать носителем информации следующего поколения благодаря высокой плотности хранения данных», — пишут авторы исследования. «Свёрнутая в рулон лента из ДНК позволяет максимально эффективно использовать пространство, обеспечивая мобильность и увеличивая количество доступных областей и объём памяти за счёт увеличения длины ленты».
На каждом участке ленты напечатан штрихкод, указывающий, какой файл там хранится. Камера на устройстве, похожем на кассетный плеер, сканирует ленту, пока она движется между двумя роликами, находит файл и погружает это место в щелочной раствор, который высвобождает ДНК. Затем ДНК можно секвенировать, и эта последовательность оснований может быть преобразована в код файла.
Хранение данных в течение сотен, если не тысяч, лет
Исследователи надеются, что их ДНК-лента может стать решением проблемы распространения цифровых данных, которая значительно усугубилась из-за бума генеративного искусственного интеллекта (ИИ). По их оценкам, фрагмент длиной примерно 0,6 мили (1 километр) может хранить до 362 000 терабайт данных — это эквивалентно примерно 60 миллиардам фотографий. Для справки: ноутбуки часто поставляются с накопителем объёмом от 0,5 до 2 ТБ, а смартфоны обычно имеют минимум 128 ГБ или 256 ГБ памяти.
По словам учёных, помимо высокой ёмкости для хранения данных, информация, заключённая в ДНК-ленту, может сохраняться в течение длительного времени. Это связано с тем, что нити ДНК хранятся внутри металлоорганических каркасных структур (МОКС) — молекулярных ячеек, состоящих из ионов цинка, — которые обеспечивают дополнительный уровень защиты.
Известно, что ДНК сохраняет свою структуру на протяжении веков, и исследователи обнаружили, что их лента может хранить данные более 345 лет при комнатной температуре или около 20 000 лет при температуре 32 градуса по Фаренгейту (0 градусов по Цельсию). Даже в случае разрыва ДНК-ленту можно починить с помощью прозрачной клейкой ленты, говорится в исследовании.
Помимо идентификации и извлечения нитей ДНК, соответствующих определённому файлу, считывающее устройство может инкапсулировать новые нити ДНК в металлоорганические каркасные структуры и помещать их на ленту. Оно также может самостоятельно определять, когда нить ДНК находится не в том разделе со штрихкодом, и перемещать её в нужный раздел.
Хотя хранение данных ДНК было изучено подробно за прошедшие годы, это одно из первых решений, демонстрирующих элегантное поведение «файловой системы», то есть возможность извлекать, изменять или удалять файлы. Оно также работает автоматически, без необходимости сочетать ручные и инструментальные этапы, и может обрабатывать как «тёплые» (часто используемые) данные, так и «холодные» (редко используемые).
Однако проблемы остаются. Сам процесс синтеза ДНК по-прежнему требует больших затрат и времени, а также громоздкого оборудования. Кроме того, процесс восстановления одного файла с ленты занимает около 25 минут. Таким образом, в своём нынешнем состоянии кассетный проигрыватель ДНК не является подходящим способом архивирования цифровых данных.
Тем не менее учёные надеются, что их исследование поможет создать технологию, которая позволит хранить огромные объёмы как «горячих», так и «холодных» данных в компактном виде, снизив зависимость от крупных центров обработки данных, которые используются сегодня.