Первый в мире «струйный принтер» для ДНК-памяти представили ученые из Китайской академии наук (CAS). Революционная инновация описана в журнале Advanced Science. Она намного лучше предшественников как по скорости записи данных, так и по расходам на их сохранение.
К 2028 году на Земле будет создано порядка 394 зеттабайт данных. Всю эту информацию нужно где-то хранить, что требует не только соответствующего оборудования, но и постоянных затрат энергии. Ученые давно ищут альтернативу традиционным устройствам на основе кремния. Одним из них может стать ДНК-память, когда нули и единицы кодируются в последовательности из четырех нуклеотидных оснований (A, T, C и G). То есть для сохранения информации ученые синтезируют длинные цепи ДНК для каждой порции данных.
Такая ДНК-память не разрушается столетиями, а для сохранения синтезированных молекул не понадобятся дополнительные затраты энергии. При этом в одном килограмме ДНК можно сохранить всю информацию мира.
Однако пока что технология записи данных в генетический материал требует много времени и обходится дорого. Аппарат Bi Sheng-1 решает эти проблемы. Он представляет собой устройство, которое занимает площадь около шести квадратных метров и может быстро превращать цифровые файлы в генетический материал.
Китайские исследователи решили сразу несколько проблем, обратившись к истории. Около 1040 года изобретатель из Поднебесной Би Шэн (в честь которого и был назван «принтер») впервые использовал для печати набор перемещаемых символов, так называемый подвижной шрифт. Это значительно ускорило процесс.
Подобно Би Шэну ученые создают с помощью своего устройства короткие последовательности ДНК - блоки из 24 пар оснований, которые затем можно использовать для быстрой записи данных. Еще одним достоинством является высокая точность декодирования, пишет «Синьхуа».
Эти блоки могут храниться в плазмидах in vitro или же в бактериях E. coli. Более того, микроорганизмы можно размножать и таким образом создавать «резервное хранилище».
В ходе демонстрации Bi Sheng-1 напечатал 168 тыс. блоков ДНК за пять часов. Таким образом он закодировал 43,7 КБ данных из четырех файлов, которые содержали стихотворение на китайском языке, изображение панды, народную песню и короткий видеоклип. Скорость печати составила 4 байта в секунду. Для сравнения, самые эффективные из существующих систем синтеза ДНК, представленные в настоящее время на рынке, демонстрируют скорость записи всего 0,49 байта в секунду.
Кроме того, китайские новаторы сократили стоимость хранения данных в ДНК примерно до $122 за МБ. Нынешние коммерческие решения обойдутся в $3260 долларов за мегабайт.
Это устраняет необходимость синтезировать целые нити ДНК с нуля, что является неэффективным процессом, который «вырезает каждую страницу заново» при старых подходах «в стиле ксилографии», Как поясняет Чэнь Фэй из Пекинского института геномики CAS, теперь не нужно синтезировать целые нити ДНК с нуля, то есть не нужно по сути каждый раз заново создавать печатаемую страницу.
Какие данные можно будет хранить таким образом? Ученые считают, что это могут быть медицинские архивы, записи видеонаблюдения и артефакты культурного наследия стран.
«Учитывая высокую плотность, долгосрочную стабильность, почти нулевое потребление энергии и возможности защиты от помех, ДНК-память особенно хорошо подходит для хранения редко используемых данных, которые составляют примерно 80% массива данных», - сказал Чэнь.
В настоящее время ученые CAS работают над следующим поколением Bi Sheng-2. Они обещают создать устройство меньшего размера, которое позволит снизить затраты до «центов за МБ» и хранить до терабайта данных.
Ранее ученые использовали для записи информации в ДНК технику оригами и «вечный» 5D-кристалл.
