Стремительно растущий объем информации требует новых подходов к ее хранению. Одним из эффективных решений может быть использование ДНК в роли носителя данных.
«Десятилетиями информационные технологии почти целиком полагались на кремний. Мы же показали, что биологические молекулы, в частности ДНК, можно использовать для хранения и защиты информации принципиально новыми способами. Рассматривая ДНК как информационную платформу, а не только как генетический материал, можно переосмыслить, как данные хранятся, считываются и защищаются в наномасштабе», — говорит профессор Хао Янь из Института биодизайна Университета штата Аризона (ASU).
Большие данные, крошечная молекула
Под его руководством проведены два исследования. В первом, опубликованном в Advanced Functional Materials, представлен новый способ хранения данных с помощью ДНК — не через анализ генетических «букв», а через интерпретацию ее физической формы.
В работе описаны проектирование и создание миниатюрных структур ДНК, которые действуют как физические буквы алфавита, каждая из которых несет часть информации. Когда эти структуры проходят через микроскопический датчик, программное обеспечение на основе машинного обучения регистрирует и анализирует тонкие электрические сигналы. Затем система с высокой точностью преобразует данные обратно в читаемые слова и короткие сообщения.
Такой подход — эффективная альтернатива традиционным методам хранения данных в ДНК, для которых нужно медленное и дорогое секвенирование. Новая методика быстрее, дешевле и лучше масштабируется.
Защита информации на молекулярном уровне
Второе исследование вышло в Nature Communications. Оно изучает, как наноструктуры ДНК могут защитить ее с помощью шифрования.
В этой работе исследователи создают сложные структуры ДНК-оригами — свернутые особым образом нити ДНК, образующие точные двух- и трехмерные формы. Вместо простого хранения данных в виде битов или букв информация кодируется в расположении и узоре этих наноразмерных структур. Это создает своего рода молекулярный код, который трудно расшифровать без правильных инструментов и ключевых шаблонов.
Для считывания зашифрованной информации применяется усовершенствованная методика микроскопии сверхвысокого разрешения, которая позволяет визуализировать отдельные структуры ДНК с чрезвычайно высокой точностью. Программное обеспечение на основе машинного обучения анализирует тысячи молекулярных изображений, группирует схожие паттерны и преобразует их обратно в исходное сообщение. В отсутствие правильной системы дешифрации эти узоры по сути бессмысленны.
«В этих исследованиях наша команда объединяет взаимодополняющие подходы, включая ДНК-нанотехнологии, оптическую микроскопию сверхвысокого разрешения, высокоскоростное электронное считывание и машинное обучение, чтобы исследовать ДНК в различных пространственных и временных масштабах. Эта комплексная стратегия помогает нам лучше понять поведение и функции ДНК-наноструктур — отличный пример исследований на стыке полупроводниковых технологий и биологии», — резюмировал доцент Чао Ван из Школы электротехники, вычислительной техники и энергетики ASU.
Создана кассета с ДНК-пленкой, вмещающая 36 петабайт данных
Китай построил первый в мире ДНК-принтер для хранения данных
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram