Исследователи из Университета штата Северная Каролина и Университета Джонса Хопкинса разработали революционную технологию, которая использует ДНК для хранения данных и вычислений, предлагая такие возможности, как хранение, извлечение, вычисление и перезапись данных.
Эта технология становится жизнеспособной благодаря инновационным полимерным структурам, называемым дендриколлоидами, которые повышают плотность и сохранность данных. Она обеспечивает функции, аналогичные функциям электронных устройств, и потенциально может защитить данные на тысячелетия, обеспечивая многообещающую основу для будущего молекулярных вычислений.
Хранение и обработка данных ДНК
Исследователи из Университета штата Северная Каролина и Университета Джонса Хопкинса продемонстрировали технологию, способную выполнять ряд функций хранения данных и вычислений — многократное хранение, извлечение, вычисление, стирание или перезапись данных — которая использует ДНК вместо традиционной электроники. Предыдущие технологии хранения данных и вычислений на основе ДНК могли выполнять некоторые, но не все эти задачи.
«В традиционных вычислительных технологиях мы считаем само собой разумеющимся, что способы хранения и обработки данных совместимы друг с другом», — говорит руководитель проекта Альберт Кёнг, соавтор статьи о работе. «Но на самом деле хранение и обработка данных выполняются в отдельных частях компьютера, а современные компьютеры представляют собой сеть сложных технологий». Кёнг — доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии и стипендиат Goodnight Distinguished Scholar в Университете штата Северная Каролина.
«В традиционных вычислительных технологиях мы считаем само собой разумеющимся, что способы хранения и обработки данных совместимы друг с другом», — говорит руководитель проекта Альберт Кёнг, соавтор статьи о работе. «Но на самом деле хранение и обработка данных выполняются в отдельных частях компьютера, а современные компьютеры представляют собой сеть сложных технологий». Кёнг — доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии и стипендиат Goodnight Distinguished Scholar в Университете штата Северная Каролина.
«ДНК-вычисления столкнулись с проблемой хранения, извлечения и вычисления, когда данные хранятся в форме нуклеиновых кислот», — говорит Кеунг. «Для электронных вычислений тот факт, что все компоненты устройства совместимы, является одной из причин привлекательности этих технологий. Но до сих пор считалось, что, хотя хранение данных ДНК может быть полезным для долгосрочного хранения данных, было бы сложно или невозможно разработать ДНК-технологию, которая охватывала бы весь спектр операций, имеющихся в традиционных электронных устройствах: хранение и перемещение данных; возможность читать, стирать, перезаписывать, перезагружать или вычислять определенные файлы данных; и делать все это программируемыми и повторяемыми способами.
Прорыв в ДНК-технологиях
«Мы продемонстрировали, что эти технологии на основе ДНК жизнеспособны , потому что мы создали одну».
Новая технология стала возможной благодаря новейшим технологиям, позволившим создавать мягкие полимерные материалы с уникальной морфологией.
Новая технология стала возможной благодаря новейшим технологиям, позволившим создавать мягкие полимерные материалы с уникальной морфологией.
«В частности, мы создали полимерные структуры, которые мы называем дендриколлоидами — они начинаются на микроуровне, но ответвляются друг от друга иерархическим образом, создавая сеть нановолокон » , — говорит Орлин Велев, соавтор и заслуженный профессор химической и биомолекулярной инженерии имени С. Фрэнка и Дорис Калберсон в Университете штата Северная Каролина. «Эта 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 в первую очередь».
«В хранилище на основе ДНК, имеющее размер ластика для карандаша, можно поместить данные с тысячи ноутбуков», — говорит Кюнг.
Инновационные функции и практическое применение
«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», — говорит Кевин Лин, первый автор статьи и бывший аспирант NC State. «Мы можем копировать информацию ДНК непосредственно с поверхности материала, не повреждая ДНК. Мы также можем стирать целевые фрагменты ДНК, а затем перезаписывать 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 ДНК. Кроме того, мы обнаружили, что когда мы наносим ДНК на дендрикколлоидный материал, материал помогает сохранить ДНК».
«Можно сказать, что команда Кёнга предоставляет эквивалент микросхем, а дендриколлоидный материал, который создает моя команда, обеспечивает печатную плату», — говорит Велев. «Наша сотрудница из NC State Адриана Сан Мигель помогла нам включить материалы в микрофлюидные каналы, которые направляют поток нуклеиновых кислот и реагентов, позволяя нам перемещать данные и инициировать вычислительные команды. Лаборатория Уинстона Тимпа в Университете Джонса Хопкинса поделилась своим опытом в области нанопорового секвенирования, что помогает нам напрямую считывать данные в РНК после копирования их с ДНК на поверхности материала. А лаборатория Джеймса Така — также здесь, в NC State — разработала алгоритмы, которые позволяют нам преобразовывать данные в последовательности нуклеиновых кислот и наоборот, контролируя потенциальные ошибки».
Будущие перспективы и последствия
Исследователи продемонстрировали, что новая технология хранения данных и вычислений, которую они называют «первобытным хранилищем ДНК и вычислительным движком», способна решать простые судоку и шахматные задачи. И тестирование показывает, что она может надежно хранить данные в течение тысяч лет в коммерчески доступных пространствах без ухудшения ДНК, хранящей информацию.
«Более того, сам дендроколлоидный материал-носитель относительно недорог и прост в изготовлении», — говорит Велев.
«Более того, сам дендроколлоидный материал-носитель относительно недорог и прост в изготовлении», — говорит Велев.
«Много ажиотажа вокруг молекулярного хранения данных и вычислений, но есть существенные вопросы о том, насколько практичной может быть эта область», — говорит Кёнг. «Мы оглянулись на историю вычислений и на то, как создание ENIAC вдохновило эту область. Мы хотели разработать что-то, что вдохновило бы область молекулярных вычислений. И мы надеемся, что то, что мы сделали здесь, является шагом в этом направлении».
Ссылка: «Первобытное хранилище ДНК и вычислительная машина» Кевина Н. Лина, Кевина Волкеля, Сайруса Као, Пола У. Хука, Рэйчел Э. Полак, Эндрю С. Кларка, Адрианы Сан Мигель, Уинстона Тимпа, Джеймса М. Така, Орлина Д. Велева и Альберта Дж. Кёнга, 22 августа 2024 г., Nature Nanotechnology .
DOI: 10.1038/s41565-024-01771-6
Соавторами статьи стали Кевин Волкель и Эндрю Кларк, бывшие аспиранты Университета штата Северная Каролина; Сайрус Као и Рэйчел Полак, аспиранты Университета штата Северная Каролина; Адриана Сан Мигель, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии Университета штата Северная Каролина; Джеймс Так, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Университета штата Северная Каролина; Уинстон Тимп, доцент кафедры биомедицинской инженерии Университета Джонса Хопкинса; и Пол Хук, научный сотрудник Университета Джонса Хопкинса.
DOI: 10.1038/s41565-024-01771-6
Соавторами статьи стали Кевин Волкель и Эндрю Кларк, бывшие аспиранты Университета штата Северная Каролина; Сайрус Као и Рэйчел Полак, аспиранты Университета штата Северная Каролина; Адриана Сан Мигель, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии Университета штата Северная Каролина; Джеймс Так, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Университета штата Северная Каролина; Уинстон Тимп, доцент кафедры биомедицинской инженерии Университета Джонса Хопкинса; и Пол Хук, научный сотрудник Университета Джонса Хопкинса.
Источник: Scitechdaily | Теги: ДНК, хранения данных