Przyszłość bi-helikalnego przechowywania danych,

Wyobraź sobie, że piosenka Bacha „Cello Suite No. 1” została zagrana na nici DNA.

Ten scenariusz nie jest tak niemożliwy, jak się wydaje. Zbyt mały, by wytrzymać rytmiczne brzdąkanie lub przesuwający się akord, DNA jest potężnym narzędziem do przechowywania plików audio i wszystkich innych rodzajów mediów.

„DNA to oryginalny system przechowywania danych natury. Możemy go używać do przechowywania dowolnego rodzaju danych: zdjęć, filmów, muzyki – wszystkiego” – powiedział Kasra Tabatabai, naukowiec z Beckman Institute for Advanced Science and Technology i współautor tego badanie.

Rozszerzenie struktury molekularnej DNA i opracowanie nowej, dokładnej metody sekwencjonowania umożliwiło wieloinstytucjonalnemu zespołowi przekształcenie podwójnej helisy w solidną i zrównoważoną platformę do przechowywania danych.

Artykuł zespołu pojawił się w: nano wiadomości W lutym 2022 r.

W dobie informacji cyfrowych każdy, kto ma dość odwagi, by poruszać się po codziennych wiadomościach, czuje, że globalne archiwa z dnia na dzień stają się coraz cięższe. Coraz częściej pliki papierowe są digitalizowane w celu zaoszczędzenia miejsca i ochrony informacji przed klęskami żywiołowymi.

Od naukowców po osoby mające wpływ na media społecznościowe, każdy, kto przechowuje informacje, może skorzystać z bezpiecznej, trwałej skrzynki do przechowywania danych — a podwójna spirala pasuje do rachunku.

„DNA to jedna z najlepszych, jeśli nie najlepsza, opcja prywatnego przechowywania danych archiwalnych” – powiedział Zhao Pan, absolwent University of Illinois Urbana-Champaign i współautor badania.

Jego długowieczność rywalizuje tylko z trwałością, DNA jest zaprojektowane tak, aby wytrzymać najtrudniejsze warunki na Ziemi – czasami przez dziesiątki tysięcy lat – i pozostaje realnym źródłem. Naukowcy mogą sekwencjonować skamieniałe włókna, aby odkryć historię genetyczną i tchnąć życie w dawno utracone krajobrazy.

Pomimo swojej drobnej postury, DNA jest trochę jak niesławne pudełko policyjne Doctor Who: większe w środku, niż się wydaje.

„Każdego dnia w sieci generowanych jest kilka petabajtów danych. Do przechowywania tych danych wystarczy jeden gram DNA. Tak gęste jest DNA jako nośnik danych” – powiedział Tabatabai, który jest również doktorantem piątego roku. student.

Innym ważnym aspektem DNA jest jego naturalna obfitość i prawie nieskończony potencjał odnawialności, cecha, której nie podziela najbardziej zaawansowany system przechowywania danych na dzisiejszym rynku: mikroczipy krzemowe, które często krążą przez dziesięciolecia, zanim zostaną nieoficjalnie zakopane na wysypisku. -stracić.

„W czasie, gdy stoimy w obliczu bezprecedensowych wyzwań klimatycznych, nie można przecenić znaczenia zrównoważonych technologii przechowywania. Pojawiają się nowe zielone technologie rejestrowania DNA, które sprawią, że przechowywanie molekularne będzie jeszcze ważniejsze w przyszłości” – powiedział. Oljica MilinkovicFranklin W. Woeltge profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz współautor opracowania.

Widząc przyszłość przechowywania danych, multidyscyplinarny zespół badał MO przez tysiące lat. Następnie badacze dodali własny rozwój w XXI wieku.

W naturze każda nić DNA zawiera cztery substancje chemiczne — adeninę, guaninę, cytozynę i tyminę — często określane przez inicjały A, G, C i T. Układają się i przestawiają wzdłuż podwójnej helisy w grupy, które naukowcy mogą rozszyfrować Rozszyfruj to lub sekwencjonuj, aby nadać sens.

Naukowcy rozszerzyli i tak już rozległą zdolność DNA do przechowywania informacji, dodając siedem syntetycznych zasad jądrowych do obecnego zestawu czterech liter.

Wyobraź sobie alfabet angielski. Jeśli masz tylko cztery litery do użycia, możesz utworzyć tylko tyle słów. Jeśli masz pełny alfabet, możesz tworzyć nieograniczone kombinacje słów. Tak samo jest z DNA. I zamiast konwertować zera i jedynki na A, G, C i T, możemy zamienić zera i jedynki na A, G, C, T i nowe siedem liter w alfabecie magazynu.

Ponieważ zespół ten jest pierwszym, który wykorzystuje chemicznie zmodyfikowane nukleotydy do przechowywania informacji w DNA, stworzyli członków wokół wyjątkowego wyzwania: nie wszystkie obecne technologie są w stanie interpretować chemicznie zmodyfikowane nici DNA. Aby rozwiązać ten problem, połączyli uczenie maszynowe i sztuczną inteligencję, aby opracować pierwszą w swoim rodzaju metodę przetwarzania odczytu sekwencji DNA.

Ich rozwiązanie może odróżnić zmodyfikowane chemikalia od materiałów naturalnych, a każdą z siedmiu nowych cząsteczek można odróżnić od siebie.

„Próbowaliśmy 77 różnych kombinacji 11 nukleotydów, a nasza metoda była w stanie doskonale scharakteryzować każdy z nich” – powiedział Pan. „Szkielet głębokiego uczenia jest częścią naszej metody globalnej identyfikacji różnych nukleotydów, co umożliwia uogólnienie naszego podejścia do wielu innych zastosowań”.

To doskonałe tłumaczenie liter przechodzi przez nanopory: białka z otworem pośrodku, przez który nić DNA może łatwo przejść. Co ciekawe, zespół odkrył, że nanopory mogą wykrywać i charakteryzować każdą pojedynczą jednostkę monomeru wzdłuż nici DNA — niezależnie od tego, czy są one pochodzenia naturalnego, czy chemicznego.

„Ta praca zapewnia ekscytującą demonstrację słuszności zasad rozszerzania przechowywania danych molekularnych o nienaturalne chemikalia, które mogą radykalnie zwiększyć gęstość przechowywania w niekonwencjonalnych nośnikach”. Charles SchroederJames, profesor ekonomii w dziedzinie inżynierii materiałowej i inżynierii oraz współkierownik tego badania.

DNA dosłownie przeszło do historii, przechowując informacje genetyczne. Wraz z pojawieniem się tego badania przyszłość przechowywania danych to dwukierunkowa spirala.

Od redakcji:

Artykuł związany z tą pracą jest dostępny pod adresem https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04203.

Dodatkowi współpracownicy UIUC obejmują Aleksiej AksemintivCentrum Biofizyki i Biologii Kwantowej; A lvaro Hernandez, Centrum Biotechnologii im. Roya J. Carvera. Instytucje partnerskie obejmują Uniwersytet Massachusetts w Amherst i Uniwersytet Stanforda. Pełną listę współpracowników i ich afiliacji można znaleźć w opublikowanej pracy.

Skontaktuj się z Biurem Komunikacji Beckman pod adresem Communications@beckman.illinois.edu