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DNA"電腦"能解決數獨問題 並將大量數據儲存千年

2024-08-29科學

一項新技術可以在 DNA 中儲存幾千甚至幾百萬年的數據,從而使完整的 DNA 電腦更近了一步。該系統還能處理數據,解數獨謎題就是證明。你小手指上的數據儲存容量比最好的電子硬碟還要大。我們說的是字面上的意思--身體中的每個細胞都能儲存約800 MB 的數據,而人是由數萬億個細胞組成的,因此我們每個人都是一個會走路、會說話的超密集數據中心。因此,科學家們一直致力於開發這種高效的天然數據儲存系統也就不足為奇了。

不過,它也不是沒有問題。DNA 在工作時相當脆弱,很難對其進行可靠的寫入、讀取、移動和處理。但是,這項新研究聲稱已經開發出一種新系統,可以解決這些問題。關鍵在於一種柔軟的聚合物材料,這種材料就像 DNA 的支架,可以脫水長期保存,也可以重新水合以進行檢索。

該研究的共同通訊作者奧林-韋列夫(Orlin Velev)說:"具體來說,我們創造了一種聚合物結構,我們稱之為樹枝狀膠體(dendricolloids)--它們始於微觀尺度,但以分層的方式相互分支,形成奈米級纖維網路。這種形態創造了一種具有高表面積的結構,使我們能夠在奈米纖維中沈積DNA,而不會犧牲數據密度,而數據密度正是DNA在數據儲存方面的吸重力所在。"

這種技術能以令人難以置信的高密度儲存數據--每立方厘米 10 PB。換句話說,就是在方糖大小的空間裏儲存 1 千萬 GB 的數據。樹枝狀膠體能比裸 DNA 更好地保存檔,並能經歷 170 多個脫水/再水化迴圈,而裸 DNA 只能經歷 60 個迴圈。

與其他 DNA 數據技術一樣,這種技術非常適合長期存檔。研究人員預測,在 4 °C(39 °F)的冰箱溫度下,儲存在聚合物奈米纖維上的 DNA 的半衰期約為 6000 年,而在零下 18 °C(0.4 °F)的環境中冷凍儲存,半衰期則可長達 200 萬年。

要將數據寫入 DNA,演算法首先要將其轉換成核酸序列,即我們熟悉的 DNA 程式碼 ACGT 字母。利用從 DNA 中復制數據的 RNA 分子,然後對 RNA 進行測序,就能檢索到特定的資訊片段。這意味著,與現有的一些 DNA 數據技術不同,不必破壞 DNA就能讀取數據。

新系統還可以利用酶直接在 DNA 中進行計算。讓該系統解決簡化的 3 x 3 西洋棋和數獨問題就證明了這一點。

這項研究的第一作者凱文-林(Kevin Lin)說:"將DNA資訊與儲存在奈米纖維上的DNA資訊區分開來的能力,使我們能夠執行許多與電子裝置相同的功能。我們可以直接從材料表面復制 DNA 資訊,而不會傷害 DNA。我們還可以擦除目標DNA片段,然後重新寫入同一表面,就像刪除和重寫儲存在硬碟上的資訊一樣。從根本上說,它可以讓我們實作全方位的 DNA 數據儲存和計算功能"。

這不僅能幫助 DNA 數據儲存的發展,還能為完整的 DNA 電腦鋪平道路。