Исследователи из Университета штата Северная Каролина и Университета Джона Хопкинса продемонстрировали технологию, способную выполнять ряд функций, связанных с хранением и вычислением данных: многократное сохранение, извлечение, вычисление, стирание и перезапись информации. В основе технологии используется ДНК вместо традиционной электроники. Предыдущие технологии хранения и вычислений на основе ДНК могли выполнять лишь отдельные из этих задач.
«В обычных вычислительных технологиях мы считаем само собой разумеющимся, что способы хранения данных и способы их обработки совместимы друг с другом», — говорит руководитель проекта Альберт Кеунг, соавтор статьи, посвященной этой работе. «Но в действительности хранение данных и их обработка осуществляются в отдельных частях компьютера, а современные компьютеры представляют собой сеть сложных технологий».
«Вычисления на основе ДНК сталкиваются с проблемой организации хранения, извлечения и обработки данных, когда они представлены в виде нуклеиновых кислот», — говорит Кеунг.
В традиционных электронных вычислениях привлекательность технологии объясняется тем, что все компоненты устройства совместимы. До сих пор считалось, что, хотя ДНК может быть полезна для долгосрочного хранения данных, создание технологии на основе ДНК, способной выполнять весь спектр операций, характерных для традиционных электронных устройств, затруднительно или невозможно. К таким операциям относятся хранение и перемещение данных, чтение, стирание, перезапись, перезагрузка или вычисление определённых данных, причём все эти действия должны быть программируемыми и многократно повторяемыми.
Новая разработка стала возможной благодаря современным технологиям, позволившим создать мягкие полимерные материалы с уникальной морфологией.
«В частности, мы создали полимерные структуры, которые мы называем дендриколлоидами — они начинаются на микроуровне, но иерархически разветвляются друг от друга, создавая сеть наноразмерных волокон», — говорит Орлин Велев, соавтор статьи и заслуженный профессор химической и биомолекулярной инженерии NC State С. Франк и Дорис Калберсон.
«Такая морфология создает структуру с высокой площадью поверхности, что позволяет нам размещать ДНК среди нановолокон, не жертвуя плотностью данных, которая делает ДНК привлекательной для хранения информации».
«Вы можете поместить данные из тысячи ноутбуков в хранилище на основе ДНК размером с карандашный ластик», — говорит Кеунг.
«Способность отличать информацию ДНК от нановолокон, на которых она хранится, позволяет нам выполнять многие из тех же функций, что и в электронных устройствах», — говорит Кевин Лин, первый автор статьи и бывший аспирант NC State.
«Мы можем копировать информацию ДНК прямо с поверхности материала, не повреждая ДНК. Мы также можем стирать целевые фрагменты ДНК, а затем перезаписывать их на ту же поверхность, подобно удалению и перезаписи информации, хранящейся на жестком диске. По сути, это позволяет нам выполнять весь спектр функций по хранению и вычислению данных ДНК. Кроме того, мы обнаружили, что, когда мы помещаем ДНК на дендриколлоидный материал, он помогает сохранить ДНК».
«Можно сказать, что команда Кеунга создает эквивалент микросхем, а дендриколлоидный материал, который создает моя команда, служит печатной платой», — говорит Велев.
«Наш сотрудник из NC State Адриана Сан-Мигель помогла нам встроить материалы в микрофлюидические каналы, которые направляют потоки нуклеиновых кислот и реагентов, позволяя нам перемещать данные и инициировать вычислительные команды. Лаборатория Уинстона Тимпа из Университета Джонса Хопкинса предоставила свой опыт в области нанопорового секвенирования, который помогает нам напрямую считывать данные в РНК после копирования их из ДНК на поверхности материала. А лаборатория Джеймса Така разработала алгоритмы, которые позволяют нам преобразовывать данные в последовательности нуклеиновых кислот и наоборот, контролируя при этом возможные ошибки».
Ученые продемонстрировали, что новая технология хранения данных и вычислений — которую они называют «первобытным хранилищем ДНК и вычислительным механизмом» — способна решать простые задачи, такие как судоку и шахматы. Тестирование показало, что она может надёжно хранить данные в течение тысяч лет.
Статья под названием «Первобытное хранилище ДНК и вычислительная машина» опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
