ДНК-архив: как сохранить всё знание человечества навечно

Мир стремительно накапливает цифровые данные, и привычные способы их хранения всё чаще упираются в физические и технологические пределы. Учёные ищут альтернативы, которые позволили бы сохранять огромные массивы информации компактно, надёжно и безопасно. Одним из самых неожиданных кандидатов на эту роль становится молекула ДНК. Об этом сообщает журнал Nature Communications.

Почему кремний больше не справляется

Современная цифровая инфраструктура в основном построена на кремниевых технологиях. Они обеспечивают высокую скорость работы, но требуют колоссальных ресурсов. Центры обработки данных занимают целые здания, нуждаются в постоянном электропитании и сложных системах охлаждения, а долгосрочное хранение информации остаётся уязвимым местом.

На этом фоне ДНК выглядит почти идеальной альтернативой. Ничтожное по объёму количество молекул способно вместить гигантские массивы данных и сохранять их стабильными на протяжении тысяч и даже миллионов лет. Именно это свойство привлекло внимание исследователей из Университета штата Аризона, которые предложили рассматривать ДНК не как носитель генетического кода, а как универсальную информационную платформу.

"На протяжении десятилетий информационные технологии почти полностью полагались на кремний", — сказал профессор Хао Ян из Школы молекулярных наук в Университете штата Аризона.

Биологические молекулы, в частности ДНК, могут быть сконструированы таким образом, чтобы хранить и защищать информацию принципиально новыми способами. Рассматривая ДНК не просто как генетический материал, а как информационную платформу, мы можем начать переосмысливать способы хранения, считывания и защиты данных на наномасштабе.

Информация, скрытая в форме

Вместо привычного подхода, при котором данные кодируются последовательностью генетических "букв", учёные используют ДНК как конструктор. Отдельные нити складываются в миниатюрные структуры по принципу оригами. Каждая форма соответствует определённому фрагменту информации, подобно тому как буквы складываются в слова.

Ключевым становится не код, а геометрия. Разные формы означают разные сообщения, а считывание происходит за счёт физических свойств этих структур. Когда такие фрагменты проходят через сверхчувствительные сенсоры, они создают уникальные электрические сигналы.

Алгоритмы машинного обучения распознают эти сигналы и сопоставляют их с конкретной формой ДНК, после чего сообщение становится доступным для чтения.

Такой метод обходится без секвенирования генетического материала, что делает процесс быстрее и дешевле по сравнению с традиционными биотехнологическими подходами.

ДНК как инструмент шифрования

Вторая часть исследования посвящена защите данных. Учёные разработали сложные узоры из ДНК-оригами, внутри которых информация надёжно скрыта. Для их чтения необходимы специальные методы визуализации и строго определённые правила декодирования.

Высокоскоростная технология сверхразрешающей микроскопии DNA-PAINT позволяет фиксировать точки связывания ДНК с нанометровой точностью. Затем программное обеспечение на основе машинного обучения группирует сигналы и восстанавливает зашифрованные сообщения. Без знания правил декодирования такие структуры выглядят как хаотичный набор форм.

Разнообразие возможных путей сворачивания нитей ДНК создаёт гигантское пространство комбинаций. Размер ключа шифрования превышает 700 бит, что значительно превосходит показатели большинства современных цифровых стандартов и делает несанкционированный взлом практически невозможным.

Скорость, точность и перспективы

Ранее подобные методы ограничивались медленной визуализацией, но использование DNA-PAINT позволило радикально ускорить процесс. Теперь тысячи ДНК-структур можно считывать за считаные минуты. Алгоритмы кластеризации без учителя анализируют данные без предварительного обучения, повышая точность и устойчивость системы.

Исследователи достигли почти 90-процентной точности считывания даже для трёхмерных форм. Дополнительные стратегии коррекции ошибок, основанные на избыточности, позволяют восстанавливать сообщения даже при потере части сигналов. Трёхмерное ДНК-оригами добавляет ещё один уровень защиты, скрывая информацию в глубине и пространственном расположении структуры.

В итоге ДНК демонстрирует способность выполнять сразу две ключевые функции — хранить данные и надёжно их защищать. Такие технологии могут оказаться особенно ценными для архивов научных исследований, исторических документов и медицинских данных, а также для работы в экстремальных условиях, где традиционная электроника быстро выходит из строя.