Впервые ДНК-технология объединила функции хранения данных и вычислений
Исследователи из Университета Северной Каролины и Университета Джонса Хопкинса продемонстрировали технологию, способную выполнять полный набор функций хранения и обработки данных — многократное сохранение, извлечение, вычисление, стирание и перезапись — с использованием ДНК вместо традиционной электроники. Предыдущие технологии хранения и вычислений на основе ДНК могли выполнять лишь некоторые из этих задач.
Статья "A Primordial DNA Store and Compute Engine" опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
"В обычных вычислительных технологиях мы воспринимаем как должное, что способы хранения данных и их обработки совместимы друг с другом", — говорит руководитель проекта Альберт Кён, соавтор статьи.
"Но на самом деле хранение и обработка данных происходят в разных частях компьютера, а современные компьютеры — это сеть сложных технологий".
"Вычисления на ДНК сталкивались с проблемой: как хранить, извлекать и обрабатывать данные, когда они хранятся в форме нуклеиновых кислот", — отмечает Кён.
"Для электронных вычислений совместимость всех компонентов устройства — одна из причин привлекательности этих технологий. Но до сих пор считалось, что хотя хранение данных на ДНК может быть полезно для долгосрочного архивирования, будет сложно или невозможно создать ДНК-технологию, охватывающую весь спектр операций традиционных электронных устройств: хранение и перемещение данных; возможность чтения, стирания, перезаписи, повторной загрузки или вычислений с конкретными файлами; и выполнение всего этого программируемыми и повторяемыми способами.
"Мы продемонстрировали, что эти ДНК-технологии жизнеспособны, потому что мы создали одну из них".
Новая технология стала возможной благодаря недавним методам создания мягких полимерных материалов с уникальной морфологией.
"В частности, мы создали полимерные структуры, которые называем дендриколлоидами — они начинаются на микроуровне, но разветвляются иерархически, создавая сеть нановолокон", — говорит Орлин Велев, соавтор статьи.
"Такая морфология создает структуру с большой площадью поверхности, что позволяет нам размещать ДНК среди нановолокон, не жертвуя плотностью данных, которая изначально делает ДНК привлекательной для хранения информации".
"В хранилище на основе ДНК размером с ластик для карандаша можно поместить данные, эквивалентные тысяче ноутбуков", — говорит Кён.
"Возможность отделить информацию ДНК от нановолокон, на которых она хранится, позволяет нам выполнять многие из тех же функций, что и электронные устройства", — говорит Кевин Лин, первый автор статьи.
"Мы можем копировать информацию ДНК прямо с поверхности материала, не повреждая саму ДНК. Мы также можем стирать целевые фрагменты ДНК и затем перезаписывать на ту же поверхность, как при удалении и перезаписи информации на жестком диске. Это позволяет проводить полный спектр операций хранения и вычислений на ДНК. Кроме того, мы обнаружили, что когда мы наносим ДНК на дендриколлоидный материал, материал помогает сохранять ДНК".
"Можно сказать, что команда Кёнга предоставляет эквивалент микросхем, а дендриколлоидный материал, который создает моя команда, предоставляет печатную плату", — говорит Велев.
"Наш коллега из NC State Адриана Сан Мигель помогла нам интегрировать материалы в микрофлюидные каналы, которые направляют поток нуклеиновых кислот и реагентов, позволяя перемещать данные и инициировать вычислительные команды. Лаборатория Уинстона Тима в Университете Джонса Хопкинса внесла свой опыт в области нанопорового секвенирования, что помогает нам напрямую считывать данные с РНК после копирования их с ДНК на поверхности материала. А лаборатория Джеймса Така — также здесь, в NC State — разработала алгоритмы, позволяющие преобразовывать данные в последовательности нуклеиновых кислот и обратно, контролируя потенциальные ошибки".
Исследователи продемонстрировали, что новая технология хранения и вычислений — которую они называют "первобытным ДНК-накопителем и вычислительным движком" — способна решать простые задачи судоку и шахмат. Тестирование предполагает, что она может безопасно хранить данные в течение тысяч лет в коммерчески доступных условиях, не разрушая информационную ДНК.
"Более того, сам материал-носитель (дендриколлоид) относительно дешев и прост в изготовлении", — говорит Велев.
"Существует большой интерес к молекулярному хранению данных и вычислениям, но возникали серьезные вопросы о практичности этой области", — говорит Кён. "Мы оглянулись на историю вычислений и на то, как создание ENIAC вдохновило эту область. Мы хотели разработать нечто, что вдохновит область молекулярных вычислений. И мы надеемся, что то, что мы сделали здесь, — шаг в этом направлении".