Φουτουριστική τεχνολογία που παρέχει αξιόπιστη αποθήκευση τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων.
Οι επιστήμονες διερευνούν πώς η φυσική δομή του DNA μπορεί να αποθηκεύει τεράστιες ποσότητες δεδομένων και να κωδικοποιεί ασφαλείς πληροφορίες. Μια ερευνητική ομάδα παρέχει τώρα μια νέα, απροσδόκητη και εντυπωσιακή λύση σε αυτόν το τομέα.
Από τότε που οι υπολογιστές άρχισαν να διαμορφώνουν τη σύγχρονη κοινωνία, οι επιστήμονες αντιμετωπίζουν δύο διαρκή προβλήματα: την εύρεση τρόπων αποθήκευσης των ταχέως αυξανόμενων ποσοτήτων ψηφιακών πληροφοριών και τη διασφάλιση ότι αυτά τα δεδομένα παραμένουν προστατευμένα από μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση.
Ερευνητές στο Ινστιτούτο Biodesign του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Αριζόνα σε συνεργασία με άλλους επιστήμονες δημοσιεύουν δύο νέες μελέτες που δείχνουν ότι το DNA — το ίδιο μόριο που μεταφέρει τη γενετική πληροφορία — μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιόπιστη αποθήκευση τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων, ενώ παράλληλα επιτρέπει ισχυρή κρυπτογράφηση.
Η έρευνα που δημοσιεύτηκε στις επιθεωρήσεις «Advanced Functional Materials» και «Nature Communications» παρουσιάζει μια βιολογικά εμπνευσμένη εναλλακτική λύση στις συμβατικές τεχνολογίες που βασίζονται στο πυρίτιο. Συνολικά, τα ευρήματα υποδεικνύουν νέες δυνατότητες για την ανάπτυξη μελλοντικών μικροηλεκτρονικών και μοριακών συστημάτων πληροφορίας σε πολλούς τομείς.
«Για δεκαετίες, η τεχνολογία της πληροφορίας βασιζόταν σχεδόν αποκλειστικά στο πυρίτιο», δήλωσε ο Χάο Γιαν καθηγητής στη Σχολή Μοριακών Επιστημών και διευθυντής του Κέντρου Μοριακού Σχεδιασμού και Βιομιμητικής του Ινστιτούτου Biodesign. «Αυτό που δείχνουμε εδώ είναι ότι τα βιολογικά μόρια, και συγκεκριμένα το DNA, μπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να αποθηκεύουν και να προστατεύουν πληροφορίες με θεμελιωδώς νέους τρόπους. Αν αντιμετωπίσουμε το DNA ως πλατφόρμα πληροφορίας και όχι απλώς ως γενετικό υλικό, μπορούμε να επαναπροσδιορίσουμε τον τρόπο με τον οποίο τα δεδομένα αποθηκεύονται, αναγιγνώσκονται και ασφαλίζονται σε νανοκλίμακα» αναφέρει ο Γιαν.
Μεγάλα δεδομένα, μικροσκοπικό μόριο
Καθώς η παραγωγή ψηφιακών δεδομένων επιταχύνεται παγκοσμίως, οι υπάρχουσες τεχνολογίες αποθήκευσης φτάνουν στα όριά τους. Η πρώτη μελέτη παρουσιάζει μια στρατηγική αποθήκευσης βασισμένη στο DNA που δεν εξαρτάται από την ανάγνωση της γενετικής αλληλουχίας, αλλά χρησιμοποιεί τη φυσική μορφή του μορίου για την αναπαράσταση της πληροφορίας.
Το DNA ξεχωρίζει ως υλικό αποθήκευσης, επειδή μπορεί να κωδικοποιεί τεράστιες ποσότητες δεδομένων σε εξαιρετικά μικρό χώρο και να παραμένει άθικτο για εντυπωσιακά μεγάλα χρονικά διαστήματα. Το 2022 ερευνητές ανέκτησαν θραύσματα DNA από ιζήματα της Γροιλανδίας ηλικίας περίπου 2 εκατομμυρίων ετών.
Στη νέα προσέγγιση οι επιστήμονες δημιούργησαν νανοδομές DNA που λειτουργούν σαν απτά σύμβολα, με κάθε δομή να αντιπροσωπεύει μια μονάδα πληροφορίας. Όταν αυτές οι δομές διέρχονται μέσα από έναν μικροσκοπικό αισθητήρα, αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης καταγράφουν και ερμηνεύουν λεπτά ηλεκτρικά σήματα που παράγονται από το σχήμα τους. Χρησιμοποιώντας αυτά τα δεδομένα, το σύστημα ανακατασκευάζει αναγνώσιμο κείμενο και σύντομα μηνύματα με υψηλή ακρίβεια.
Η μέθοδος αυτή προσφέρει μια εναλλακτική στις συμβατικές τεχνικές αποθήκευσης δεδομένων σε DNA που βασίζονται στη γονιδιακή αλληλούχηση, η οποία είναι συνήθως αργή και δαπανηρή. Το νέο σύστημα έχει σχεδιαστεί ώστε να είναι ταχύτερο, οικονομικότερο και πιο εύκολα κλιμακούμενο για μεγαλύτερες εφαρμογές.
Τα ευρήματα δείχνουν ένα μέλλον στο οποίο το DNA θα μπορούσε να λειτουργεί ως εξαιρετικά συμπαγές, ανθεκτικό και ασφαλές μέσο μακροχρόνιας αποθήκευσης δεδομένων. Τέτοια συστήματα θα μπορούσαν να επιτρέψουν την αρχειοθέτηση τεράστιων συνόλων δεδομένων όπως επιστημονικά αρχεία και πολιτιστική πληροφορία χρησιμοποιώντας ελάχιστο χώρο και ενέργεια.
Η έρευνα αναδεικνύει επίσης τη στενότερη σύνδεση μεταξύ συνθετικής βιολογίας και τεχνολογίας ημιαγωγών, υποδεικνύοντας νέες μορφές μοριακών συστημάτων πληροφορίας πέρα από τις παραδοσιακές ηλεκτρονικές συσκευές.
Ασφάλεια πληροφορίας σε μοριακό επίπεδο
Ενώ η πρώτη μελέτη εστιάζει στην αποδοτική αποθήκευση πληροφοριών μέσω DNA η δεύτερη διερευνά πώς οι νανοδομές DNA μπορούν να συμβάλουν και στην προστασία των πληροφοριών μέσω κρυπτογράφησης.
Σε αυτή την εργασία οι ερευνητές σχεδιάζουν πολύπλοκες δομές «DNA origami» δηλαδή αναδιπλωμένες διατάξεις κλώνων DNA που σχηματίζουν ακριβή δισδιάστατα και τρισδιάστατα σχήματα. Αντί να αποθηκεύεται η πληροφορία απλώς ως bits ή γράμματα, κωδικοποιείται στη διάταξη και στο μοτίβο αυτών των νανοδομών. Έτσι δημιουργείται ένας μοριακός κώδικας που είναι δύσκολο να ερμηνευθεί χωρίς τα κατάλληλα εργαλεία και πρότυπα αναφοράς.
Για την ανάγνωση της κρυπτογραφημένης πληροφορίας, η ομάδα χρησιμοποιεί μια προηγμένη μορφή μικροσκοπίας υπερ-ανάλυσης, ικανή να απεικονίζει μεμονωμένες δομές DNA με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια. Στη συνέχεια, λογισμικό μηχανικής μάθησης αναλύει χιλιάδες μοριακές εικόνες, ομαδοποιεί παρόμοια μοτίβα και τα μεταφράζει πίσω στο αρχικό μήνυμα. Χωρίς το σωστό πλαίσιο αποκωδικοποίησης, τα μοτίβα είναι ουσιαστικά ακατανόητα, προσθέτοντας ένα ενσωματωμένο επίπεδο ασφάλειας.
Η προσέγγιση αυτή αυξάνει σημαντικά τον αριθμό των πιθανών μοριακών κωδίκων που μπορούν να δημιουργηθούν, καθιστώντας την μη εξουσιοδοτημένη αποκωδικοποίηση πολύ πιο δύσκολη. Επιτρέπει επίσης τη συσκευασία πληροφοριών σε τρισδιάστατες δομές DNA, προσθέτοντας ακόμη μεγαλύτερη πολυπλοκότητα και ασφάλεια σε κάθε «μοριακό κλειδί».
«Σε αυτές τις μελέτες, η ομάδα μας συνδυάζει συμπληρωματικές προσεγγίσεις, όπως νανοτεχνολογία DNA, οπτική απεικόνιση υπερ-ανάλυσης, ηλεκτρονική ανάγνωση υψηλής ταχύτητας και μηχανική μάθηση, για να διερευνήσει νανοδομές DNA σε πολλαπλές χωρικές και χρονικές κλίμακες. Αυτή η ολοκληρωμένη στρατηγική μάς βοηθά να κατανοήσουμε καλύτερα τη συμπεριφορά και τη λειτουργία των νανοδομών DNA» αναφέρουν οι ερευνητές.
Πρόκειται για ένα πολύ καλό παράδειγμα έρευνας στο σημείο τομής της τεχνολογίας ημιαγωγών και της βιολογίας. Σε αυτό το αναδυόμενο πεδίο, απομένουν να διερευνηθούν πολλές ακόμη εφαρμογές, από προηγμένους βιοαισθητήρες έως προγραμματιζόμενες νανοσυσκευές».
Συνδυάζοντας αποθήκευση και ασφάλεια σε μοριακή κλίμακα
Συνολικά, οι δύο μελέτες δείχνουν πώς το DNA μπορεί να λειτουργήσει όχι μόνο ως συμπαγές μέσο αποθήκευσης, αλλά και ως πλατφόρμα ασφαλούς διαχείρισης πληροφοριών σε νανοκλίμακα. Η μία τεχνική δίνει έμφαση στη γρήγορη, ηλεκτρονικού τύπου ανάγνωση της μοριακής πληροφορίας, ενώ η άλλη αποδεικνύει πώς τα ίδια τα μοριακά μοτίβα μπορούν να λειτουργήσουν ως κρυπτογραφημένοι φορείς δεδομένων.
Συστήματα βασισμένα στο DNA θα μπορούσαν κάποτε να υποστηρίξουν υπερ-πυκνή αποθήκευση επιστημονικών δεδομένων, ιατρικών αρχείων ή πολιτιστικών αρχείων. Η μοριακή κρυπτογράφηση θα μπορούσε να προσφέρει νέους τρόπους προστασίας ευαίσθητων πληροφοριών σε περιβάλλοντα όπου τα συμβατικά ηλεκτρονικά συστήματα δυσκολεύονται να λειτουργήσουν, όπως σε ακραίες θερμοκρασίες, ακτινοβολία ή σε συνθήκες μακροχρόνιας διατήρησης.
Η έρευνα αναδεικνύει τη σταδιακή σύγκλιση βιολογίας, επιστήμης υλικών, υπολογιστικής και ηλεκτρονικής. Αντιμετωπίζοντας το DNA τόσο ως βιολογικό μόριο όσο και ως πλατφόρμα πληροφορίας, οι ερευνητές ανοίγουν νέους δρόμους για την αποθήκευση, προστασία και πρόσβαση σε δεδομένα σε κλίμακες πολύ μικρότερες — και ενδεχομένως πολύ πιο ανθεκτικές — από τις σημερινές ψηφιακές συσκευές.
