ДНК вместо чипа. Топ-3 достижений ученых в сфере обработки данных в макромолекулах

Недавно мы сообщали о том, что компания Microsoft презентовала молекулярный контроллер, позволяющий в 1000 раз увеличить скорость загрузки данных в макромолекулу ДНК. Однако, это не единственное достижение в данной сфере. Как сообщает издание interestingengineering.com, в течение этого и предыдущего месяцев несколько исследовательских институтов заявили о новых наработках, которые по мнению ученых, ускорят развитие и применение на практике технологии записи и хранения информации на "органических серверах". Фокус расскажет о каждом исследовании подробно.

Чип из молекулы ДНК: в 100 раз улучшит технологию хранения данных

Ученые из Технологического исследовательского института Джорджии (США) на днях заявили о том, что им удалось многократно улучшить технологию хранения данных в ДНК, сообщает BBC News. Добились они таких результатов путем выращивания уникальных цепей ДНК по одному "строительному блоку" за раз. "Эти "строительные блоки" еще называют основаниями, которые состоят из аденина, цитозина, гуанина и тимина", — пишет СМИ. "Основания используются для кодирования информации при помощи двоичного кода (0 и 1)".

Существуют различные потенциальные способы хранения информации в ДНК. Например, "ноль" в двоичном коде может быть представлен аденином или цитозином, а "единица" — гуанином или тимином. В качестве альтернативы, 1 и 0 можно сопоставить только с двумя из четырех баз.

Структуры на чипе, используемые для выращивания ДНК, называются микролунками и имеют глубину в несколько сотен нанометров. Прототип микрочипа имеет площадь около 2,5 см и включает в себя несколько микролунок, что позволяет синтезировать несколько цепей ДНК параллельно. В дальнейшем можно будет вырастить большее количество ДНК за более короткий промежуток времени.

"Поскольку это прототип, еще не все его микролунки подключены, а потому общий объем данных ДНК, который может быть записан с помощью этого конкретного процессора, пока что меньше, чем тот, который могут уместить коммерческие чипы", — говорится в материале.

Соавтор исследования доктор Николас Гиз пояснил, что когда устройство доработают, оно будет способно на большее. Пока что рекорд хранения цифровых данных ДНК составляет около 200 МБ, при этом процесс записи длится около 24 часов. Но новая технология даст возможность записывать в 100 раз больше данных за то же время, а также снизит затраты, благодаря чему появятся клиенты и технологию переведут на коммерческие рельсы.

Твердотельное устройство для хранения данных ДНК

"Под руководством Лю Хуна, профессора Юго-Восточного университета в провинции Цзянсу (Китай), команда ученых разрабатывает новый процесс, включающий КНР в гонку за первенство в создании массового устройства для хранения ДНК", — пишет медиа techradar.com, ссылаясь на ИА "Синьхуа".

В комментарии изданию China Daily профессор Лю сказал, что его команда смогла объединить две технологии — синтез ДНК и секвенирование. Данная интеграция упростит процессы работы с макромолекулой при занесении информации, уверены исследователи.

Пока что, используя новый метод, Лю и его команда смогли закодировать и расшифровать только несколько слов, но ученые не собираются останавливаться на достигнутом. Они собираются избавиться от жидких реагентов, чтобы в итоге получить твердотельные устройства хранения данных ДНК (SSDS), которые, как и их аналоги на твердотельных накопителях (SSD), будут более устойчивыми к ударам и другим воздействиям окружающей среды. По задумке, SSDS будут универсальным и пластичным устройством. Подробности касательно того, какие материалы будут использованы при создании устройств ученые не раскрывают.

Запись информации "в пробирке"

Ученые из Центра синтетической биологии Северо-Западного университета (США) разработали новый метод записи информации в ДНК "в пробирке". Он основан на ферментативной системе, сообщает technologynetworks.com. Исследователи пишут, что достичь этого удалось благодаря свойствам ДНК-полимеразы, известной как терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза, или TdT.

Кодирование информации происходит следующим образом: добавляя код к концу нити ДНК, значение "1" присваивается тем областям, где присутствует кобальт, а "0" — к тем, где он отсутствует. Когда ДНК считывается для декодирования информации, если в области присутствует много оснований аденина, это записывается как "1". Если присутствует много оснований гуанина, это записывается как "0".

Что дает данный метод? Адаптивность, прежде всего: когда меняется окружающая среда, изменяется и состав синтезируемой цепи ДНК. Средняя скорость включения нуклеотидов при этом используется как "отметка времени", чтобы точно указать, когда произошло изменение окружающей среды.

Как пояснили ученые, химический синтез ДНК требует последовательного добавления химикатов, а затем их смывания перед добавлением следующего химического вещества. И вот эта "промывка" замедляет процесс записи информации. Так вот новый метод не требует промывок, потому что все необходимые реагенты наносятся в виде смеси, а свойства ДНК-полимеразы обратимо модулируются. Команда смогла записать 3/8 байта информации за один час и теперь работает над ускорением процессов.

"Цифровое изображение состоит из миллионов байтов, и для его чтения и записи на жесткий диск требуется доли секунды. Распараллеливание на миллионы нитей ДНК позволит значительно увеличить и ускорить хранение данных, но мы собираемся устранить технические препятствия, чтобы увеличить количество байтов и сократить время записи одной цепочки ДНК", — сообщили исследователи.

Зачем записывать информацию в ДНК

Магнитные жесткие диски, которые мы сегодня используем для хранения данных, занима.n много места. И их нужно со временем заменять на новые. Использование альтернативного ДНК-носителя информации для резервного копирования данных, генерируемых всеми людьми, позволило бы архивировать огромные объемы информации в крошечных молекулах. По словам ученых, они смогут храниться тысячи лет, и при этом "аппаратура" не будет требовать ремонта или замены.

Однако процесс записывания и считывания стоит очень дорого. Если ученые смогут снизить стоимость этой технологии и сделают ее конкурентоспособной, то она станет весьма популярной. Ею смогут воспользоваться библиотеки, архивы, разные организации и службы. Например, если отформатировать каждый фильм, который когда-либо был снят, то вся собранная информация могла бы уместиться в объеме, меньшем, чем кубик сахара. Более того, он привлекает своей экологичностью, ведь в работе всех процессов электричество не используется (разве что для освещения лабораторий и обеспечения работы специального оборудования).

"Хранилище информации в виде ДНК вселяет надежду на то, что компьютерная индустрия, наконец, сможет решить проблему экспоненциального стремления человечества к хранению данных. Хранилище ДНК может предложить плотность хранения более 1 эксабайта на кубический дюйм, то есть 9 зеттабайт информации (один зеттабайт составляет один триллион гигабайт, — ред.), и все это хранится в пространстве небольшого холодильника", — пишет interestingengineering.com.

Учитывая, насколько компактен и надежен такой метод, неудивительно, что в настоящее время существует широкий интерес к ДНК как к средству для архивирования данных, которые необходимо хранить неопределенный срок. А что касается внесения новых данных в ДНК живого человека, то до этого еще далеко, ведь пока что ученые не стабилизировали все процессы так, чтобы окружающая среда на них не влияла, да и универсальная смесь реагентов, как мы писали выше, еще в разработке.