«Компьютер» ДНК хранит петабайты данных на протяжении тысячелетий
Полноценный ДНК-компьютер стал на шаг ближе благодаря новой технологии, которая может хранить петабайты данных в ДНК в течение тысяч или даже миллионов лет. Система также может обрабатывать данные, как показано на примере решения головоломок судоку.
Каждая клетка человеческого тела может хранить около 800 МБ данных, и мы состоим из триллионов клеток, так что каждый из нас — ходячий, говорящий, сверхплотный центр обработки данных. Неудивительно, что ученые работают над тем, чтобы задействовать эту невероятно эффективную естественную систему хранения данных.
Но получается все не без проблем. ДНК довольно хрупка в работе, и может быть сложно надежно записывать, считывать, перемещать и обрабатывать информацию на ней. Но теперь ученые утверждают, что разработали новую систему, которая может решить все эти проблемы.
Ключом является мягкий полимерный материал, который действует как каркас для ДНК, который можно обезвоживать для длительного хранения информации и регидратировать для извлечения.
«В частности, мы создали полимерные структуры, которые мы называем дендриколлоидами — они начинаются на микроуровне, но ответвляются друг от друга иерархическим образом, создавая сеть нановолокон», — сказал Орлин Велев, соавтор исследования. «Такая морфология создает структуру с большой площадью поверхности, что позволяет нам размещать ДНК среди нанофибрилл, не жертвуя плотностью данных, что делает ДНК привлекательной для хранения данных».
Эта технология позволяет хранить данные с невероятно высокой плотностью — 10 ПБ на см3. Другими словами, это 10 миллионов ГБ в пространстве размером с кусочек сахара. Дендриколлоид может удерживать файлы лучше, чем «голая» ДНК, и может пройти более 170 циклов дегидратации/регидратации по сравнению с 60 циклами с обычной ДНК.
Как и другие методы работы с данными ДНК, это может хорошо подойти для долгосрочного архивного хранения. Исследователи предсказывают, что ДНК, хранящаяся на их полимерных нанофибриллах, будет иметь период полураспада около 6000 лет при температуре 4 °C и невероятные 2 миллиона лет при заморозке до -18 °C.
Чтобы записать данные в ДНК, алгоритмы сначала преобразуют их в последовательности нуклеиновых кислот — знакомые буквы AGTC кода ДНК (аденин, гуанин, тимин, цитозин). Конкретные фрагменты информации можно извлечь с помощью молекул РНК, которые копируют данные из ДНК, а затем секвенируют эту РНК. Это означает, что не нужно разрушать ДНК, чтобы считать ее обратно, в отличие от некоторых существующих методов работы с данными ДНК.
Новая система также позволяет производить вычисления непосредственно в ДНК, используя ферменты. Это было продемонстрировано на примере решения системой упрощенных шахматных задач 3 x 3 и судоку.
«Возможность отличать информацию ДНК от нановолокон, на которых она хранится, позволяет нам выполнять многие из тех же функций, которые вы можете выполнять с электронными устройствами», — сказал Кевин Лин, первый автор исследования.
«Мы можем копировать информацию ДНК непосредственно с поверхности материала, не повреждая ДНК. Мы также можем стирать целевые фрагменты ДНК, а затем перезаписывать их на ту же поверхность, например, удалять и перезаписывать информацию, хранящуюся на жестком диске. По сути, это позволяет нам выполнять весь спектр функций хранения и вычисления данных с ДНК».
Исследование может открыть путь не только к хранению данных на основе ДНК, но и к созданию полноценных ДНК-компьютеров.
Статья об исследовании была опубликована в журнале Nature Nanotechnology.