Учёные записали кино в молекулу ДНК

Американские биологи продемонстрировали сохранение информации в ДНК с рекордной плотностью записи.

Новый метод позволил перекодировать компьютерные файлы — тексты, картинки и даже короткий фильм — в молекулы ДНК, а затем успешно восстановить исходные данные. При этом удалось достичь рекордной плотности записи. Детали работы учёные описывают в статье, опубликованной журналом Science.

Информация сегодня появляется с невероятной скоростью: за пару последних лет мы создали больше данных, чем за всё предыдущее время существования человечества. Это заставляет выдвигать всё более серьёзные требования к носителям памяти, и учёные всего мира активно ищут новые технологии сохранения информации. В этом смысле химически стабильные молекулы ДНК — один из самых перспективных вариантов.

Теоретический предел плотности записи информации на них составляет 1,8 бит на нуклеотид (число чуть меньше двух учитывает ошибки при записи и чтении), что соответствует ёмкости в 215 Пбайт (петабайт) на грамм. Однако до сих пор никому не удавалось и близко подойти к этому уровню; например, эксперимент известного гарвардского биолога Джорджа Чёрча (George Church) позволил сохранить около 1,28 Пбайт/г. Это рекорд для искусственных носителей информации, но далеко не предел. Выше подняться удалось Яниву Эрлиху (Yaniv Erlich) и Дине Зелински (Dina Zielinski) из Колумбийского университета в Нью-Йорке, добившись плотности в 1,6 бит на нуклеотид — 85 процентов от теоретического максимума.

Для перекодирования информации из двоичного кода в ДНК учёные использовали устойчивый к ошибкам метод "ДНК-фонтана" (DNA Fontain). Впервые он был предложен ими же, осенью 2016 года, на основе подхода, выдвинутого Дэвидом Маккеем (David MacKay). При этом двоичный код разбивается на равные фрагменты, которые сжимаются в "капли" (droplets) и перекодируются в последовательности нуклеотидов ДНК. Затем они фильтруются на ошибки и дополняются информацией, необходимой для обратной сборки исходного файла.

Исходный бинарный файл учёные получили, слив воедино шесть источников информации: код операционной системы Kolibri (1,4 Мбайт); компьютерный вирус (42 Кбайт); короткий фильм братьев Люмьер "Прибытие поезда" (523 Кбайт); графическую табличку, отправленную на борту зондов Pioneer (53 Кбайт); классическую статью Клода Шеннона "Математическая теория связи" (343 Кбайт) и подарочную карту магазина Amazon (62 байта). Перекодированная в ДНК информация дала в общей сложности 72 тысячи фрагментов нуклеиновой кислоты длиной по 200 пар нуклеотидов.

Эти данные Эрлих и Зелински переслали в калифорнийскую компанию Twist Bioscience, где на их основе были синтезированы и отправлены обратно авторам работы молекулы ДНК. Учёные показали, что такие данные можно легко, быстро и без ошибок скопировать, размножив ДНК с помощью полимеразной цепной реакции. Наконец, они использовали обычные методы секвенирования, выяснив последовательности фрагментов ДНК, соединили их и восстановили исходные файлы. Видеоролик показывает, как Янив Эрлих распаковывает перекодированный из ДНК архив, запускает операционную систему и играет в "Сапёра".

К сожалению, пока что такое сохранение данных остаётся разовым концептуальным проектом. По оценке авторов работы, на синтез ДНК ёмкостью 2 Мбайт им потребовалось около 7000 долларов США, а на чтение — ещё 2000. Кроме того, и то и другое происходит намного медленнее, чем в электронных носителях памяти. Для того чтобы сверхплотное хранение данных в ДНК стало реальностью, придётся существенно улучшить эти технологии.