Устройство из Шэньчжэня записало данные в ДНК — объём настолько огромный, что трудно поверить глазам

ДНК-лента достигла вместимости 36 петабайт по данным исследователей Шэньчжэня

Учёные из Шэньчжэня представили необычное устройство, способное хранить цифровую информацию в ДНК, нанесённой на тонкую пластиковую ленту. Новый прототип уже достиг вместимости в 36 петабайт — объём, сопоставимый с миллионом гигабайт музыки. Разработка показывает, как молекулярные технологии могут изменить подход к архивированию данных. Об этом сообщает исследовательская группа Южного университета науки и технологий.

Как создают цифровые носители на основе ДНК

Работа над устройством велась под руководством биомедицинского инженера Xingyu Jiang. Он занимается проектированием систем на основе ДНК, которые способны не только хранить данные, но и выполнять прикладные задачи на молекулярном уровне. Чтобы новая "кассета" была совместима с уже существующими лабораторными установками, исследователи разработали гибкую ленту, которую можно прокручивать через стандартные инструменты записи и секвенирования ДНК.

Принцип системы основан на преобразовании цифровых данных в последовательности из четырёх нуклеотидов — A, T, C и G. Эти цепочки кодируют нули и единицы, позволяя хранить любую цифровую информацию. Синтетические нити ДНК печатаются на пластиковом носителе в виде маленьких точек. Затем ленту разрезают и сворачивают, превращая её в компактный картридж, который может перемещаться между барабанами внутри привода.

Структура носителя выглядит как длинная чередующаяся последовательность чёрных и белых сегментов. Белые блоки впитывают раствор с ДНК, а чёрные полосы препятствуют его дальнейшему растеканию. Таким образом формируется множество маленьких независимых "ячей" — отдельных файловых отделений. На ленте длиной чуть больше полутора километров таких отделений оказалось около 550 000.

Механизм чтения напоминает работу старых магнитных систем. Оптический сканер считывает штрих-коды рядом с каждым участком. Когда система обнаруживает нужный файл, привод позиционирует ленту так, чтобы соответствующая секция попала в реакционную камеру, где начинается процесс чтения.

В испытаниях лента перемещалась по приводу с высокой точностью: система определяла примерно 1570 уникальных позиций в секунду.

Почему ДНК может стать носителем будущего

В глобальном масштабе объём цифровых данных растёт чрезвычайно быстро. Стриминг, торговля в интернете, облачные сервисы и подключённые устройства создают огромные массивы информации. Отраслевые прогнозы предполагают, что уже в середине 2020-х общий объём данных в мире достигнет около 175 триллионов гигабайт.

Современные дата-центры потребляют заметную часть энергетических ресурсов. По отчёту Министерства энергетики США, только в этой стране центры обработки данных используют около 4,4% всей вырабатываемой электроэнергии. А ведь многие из них работают круглосуточно, обеспечивая работу интернета, хранение документов, корпоративных архивов и мультимедийных файлов.

ДНК как материал отличается физической плотностью, с которой невозможно конкурировать в обычной цифровой технике. Учёные отмечают: один грамм ДНК теоретически способен хранить порядка 455 экзабайт информации. Это делает молекулярные носители исключительно привлекательными для долгосрочного архивирования.

Исследования древних останков показывают, что ДНК разрушается очень медленно. Период полураспада, рассчитанный на основе образцов, найденных в археологических раскопках, составляет около 521 года. Эти данные позволяют предположить, что цифровые архивы, упакованные в ДНК и защищённые от влаги, способны сохраняться сотни лет.

Как работают чтение и перезапись данных

Когда нужный файл найден, лента попадает в реакционную камеру. Специальная химическая среда отделяет одну нить двойной спирали ДНК и переносит её в раствор, где происходит секвенирование. Технология считывает последовательность букв нуклеотидов по одной, восстанавливая данные.

Поскольку вторая нить остаётся на носителе, система может использовать её как шаблон и восстанавливать двойную ДНК после каждого чтения. В экспериментах одна и та же последовательность была прочитана десять раз подряд без заметного ухудшения качества.

Удаление данных выполняется с помощью фермента, который разрезает молекулу ДНК в выбранной области. Освободившееся пространство заполняется новой последовательностью. Испытания показали, что система способна заменить около 99,9% файла при перезаписи, сохраняя чистоту сигнала.

Защитная оболочка и долгосрочное хранение

ДНК уязвима к воде и ферментам, поэтому исследователи разработали дополнительный защитный слой для каждой секции на ленте. Они использовали металлическо-органические каркасы — структуры, способные блокировать влагу и биохимические агенты.

Ранее учёные демонстрировали, что запечатанная ДНК может сохранять данные даже при повышенных температурах, особенно если упакована в кремниевые оболочки. Новые испытания показали: нагрев защищённой ленты в течение нескольких недель приводит к минимальным повреждениям. По расчётам, такие носители могут сохранять информацию более трёх веков при комнатной температуре и потенциально десятки тысяч лет в охлаждённых условиях.

Сравнение: традиционные носители и ДНК-кассеты

Чтобы понять возможные перспективы технологии, полезно сравнить её с привычными вариантами хранения.

Жёсткие диски и SSD
Быстрые, но ограничены сроком службы электроники и нуждаются в постоянном питании.
Магнитные ленты
Дешёвы и подходят для архивов, но объём и плотность хранения значительно ниже.
ДНК-кассеты
Имеют невероятную плотность, устойчивы к времени, но пока медленные и дорогие.

Такое сравнение подчёркивает: ДНК-хранилище пока не может конкурировать по скорости, но обладает преимуществами, которые критичны для долговременного хранения.