下一代数据存储可能根本不在计算机内部——它可能存在于DNA分子内部。
随着世界产生的数字信息比以往任何时候都多，科学家们正在竞相开发密度更高、持续时间更长、安全性更高的存储系统。
亚利桑那州立大学 ( ASU )的一个团队已经证明，工程化的 DNA 可以同时处理存储和加密，其性能可能优于传统的硅基技术。
DNA对硅存储的挑战
现代计算机依靠硅芯片来存储和保护信息。硅芯片运行速度很快，但存储系统需要大型建筑、持续供电和冷却。长期保存信息仍然是个难题。
DNA则呈现出截然不同的景象。极少量的DNA就能储存海量数据，并能稳定存在数千年甚至数百万年。
“几十年来，信息技术几乎完全依赖于硅，”亚利桑那州立大学分子科学学院的校董教授郝岩说。
“我们在这里展示的是，生物分子，特别是DNA，可以被改造，以全新的方式存储和保护信息。”
“通过将 DNA 视为信息平台而不仅仅是遗传物质，我们可以开始重新思考如何在纳米尺度上存储、读取和保护数据。”
利用DNA对数据进行编码
科学家们并没有把DNA当作一长串遗传字母来使用，而是把DNA当作建筑材料来使用。
DNA链折叠成微小的形状，几乎就像折纸一样。每个形状都代表一段信息，就像字母组成单词一样。
信息并非来自解读基因密码，而是来自形状本身。不同的形状代表不同的信息，就像键盘上的不同符号一样。
当这些微小的DNA片段穿过微型传感器时，每个片段都会产生独特的电信号。经过机器学习训练的计算机程序能够识别这些信号，并将其与正确的片段匹配。
一旦识别出形状，存储的信息即可再次读取。由于无需进行基因读取，该过程比传统的DNA测序速度更快，成本也低得多。
基于DNA的加密系统
第二项研究将存储扩展到加密领域。研究人员设计了复杂的DNA折纸图案，将信息隐藏在纳米级结构中。读取这些图案需要特殊的成像工具和解码规则。
高速 DNA-PAINT 超分辨率成像技术能够以纳米级精度可视化单个 DNA 结合位点。
然后，机器学习软件将信号簇分组并重构加密信息。如果没有正确的解码规则，这些模式看起来毫无意义。
DNA链的走向、滑动和交织产生了数量庞大的可能折叠路径。
加密密钥长度超过 700 位，远大于常见的数字加密标准。未经授权的解码几乎不可能。
更快的成像速度提升安全性
早期的 DNA 折纸加密依赖于缓慢的成像方法，但高速 DNA PAINT 克服了这一限制。
现在只需几分钟就能读取数千个 DNA 结构，而以前需要几个小时；同时，无监督聚类算法无需训练数据即可分析模式，从而提高了速度和准确性。
研究团队即使对于三维 DNA 形状，也能实现接近 90% 的读取准确率。
纠错策略通过在模式设计中增加冗余来进一步提高可靠性，确保即使某些信号消失，正确的消息仍然可以恢复。
三维DNA折纸技术在传统的二维设计之外，增加了一层新的保护。信息可以隐藏在深度、角度和空间排列之中，使得传统的成像工具更难解码。
超分辨率显微镜能够精确捕捉这些复杂的图案，研究人员已经证明，使用线框形状和刚性 DNA 组装体可以成功地进行加密和解码。
更刚性的结构通过减少形状灵活性来提高精度。
连接生物学和计算机科学
研究人员发现，DNA可以同时发挥两个重要作用：DNA可以储存信息，也可以保护这些信息。
有些方法侧重于快速读取存储的数据，类似于计算机读取文件的方式。另一些方法则侧重于利用难以复制或猜测的复杂DNA结构来隐藏信息。
基于DNA的存储技术可以帮助长期保存大量信息，例如科学研究成果、历史记录和医疗档案。
DNA加密技术还可以在恶劣条件下工作，例如高辐射或极端高温，而普通电子设备在这些条件下往往会停止工作。
这项研究融合了多个领域。生物学提供DNA，材料科学帮助塑造DNA，电子学帮助读取DNA，机器学习帮助解码DNA。
DNA不再仅仅被视为活细胞的一部分。如今，DNA被视为一种持久且安全的方式，可以存储和保护信息，以备将来之需。
下一代数据存储可能根本不在计算机内部——它可能存在于DNA分子内部。
随着世界产生的数字信息比以往任何时候都多，科学家们正在竞相开发密度更高、持续时间更长、安全性更高的存储系统。
亚利桑那州立大学 ( ASU )的一个团队已经证明，工程化的 DNA 可以同时处理存储和加密，其性能可能优于传统的硅基技术。
DNA对硅存储的挑战
现代计算机依靠硅芯片来存储和保护信息。硅芯片运行速度很快，但存储系统需要大型建筑、持续供电和冷却。长期保存信息仍然是个难题。
DNA则呈现出截然不同的景象。极少量的DNA就能储存海量数据，并能稳定存在数千年甚至数百万年。
“几十年来，信息技术几乎完全依赖于硅，”亚利桑那州立大学分子科学学院的校董教授郝岩说。
“我们在这里展示的是，生物分子，特别是DNA，可以被改造，以全新的方式存储和保护信息。”
“通过将 DNA 视为信息平台而不仅仅是遗传物质，我们可以开始重新思考如何在纳米尺度上存储、读取和保护数据。”
利用DNA对数据进行编码
科学家们并没有把DNA当作一长串遗传字母来使用，而是把DNA当作建筑材料来使用。
DNA链折叠成微小的形状，几乎就像折纸一样。每个形状都代表一段信息，就像字母组成单词一样。
信息并非来自解读基因密码，而是来自形状本身。不同的形状代表不同的信息，就像键盘上的不同符号一样。
当这些微小的DNA片段穿过微型传感器时，每个片段都会产生独特的电信号。经过机器学习训练的计算机程序能够识别这些信号，并将其与正确的片段匹配。
一旦识别出形状，存储的信息即可再次读取。由于无需进行基因读取，该过程比传统的DNA测序速度更快，成本也低得多。
基于DNA的加密系统
第二项研究将存储扩展到加密领域。研究人员设计了复杂的DNA折纸图案，将信息隐藏在纳米级结构中。读取这些图案需要特殊的成像工具和解码规则。
高速 DNA-PAINT 超分辨率成像技术能够以纳米级精度可视化单个 DNA 结合位点。
然后，机器学习软件将信号簇分组并重构加密信息。如果没有正确的解码规则，这些模式看起来毫无意义。
DNA链的走向、滑动和交织产生了数量庞大的可能折叠路径。
加密密钥长度超过 700 位，远大于常见的数字加密标准。未经授权的解码几乎不可能。
更快的成像速度提升安全性
早期的 DNA 折纸加密依赖于缓慢的成像方法，但高速 DNA PAINT 克服了这一限制。
现在只需几分钟就能读取数千个 DNA 结构，而以前需要几个小时；同时，无监督聚类算法无需训练数据即可分析模式，从而提高了速度和准确性。
研究团队即使对于三维 DNA 形状，也能实现接近 90% 的读取准确率。
纠错策略通过在模式设计中增加冗余来进一步提高可靠性，确保即使某些信号消失，正确的消息仍然可以恢复。
三维DNA折纸技术在传统的二维设计之外，增加了一层新的保护。信息可以隐藏在深度、角度和空间排列之中，使得传统的成像工具更难解码。
超分辨率显微镜能够精确捕捉这些复杂的图案，研究人员已经证明，使用线框形状和刚性 DNA 组装体可以成功地进行加密和解码。
更刚性的结构通过减少形状灵活性来提高精度。
连接生物学和计算机科学
研究人员发现，DNA可以同时发挥两个重要作用：DNA可以储存信息，也可以保护这些信息。
有些方法侧重于快速读取存储的数据，类似于计算机读取文件的方式。另一些方法则侧重于利用难以复制或猜测的复杂DNA结构来隐藏信息。
基于DNA的存储技术可以帮助长期保存大量信息，例如科学研究成果、历史记录和医疗档案。
DNA加密技术还可以在恶劣条件下工作，例如高辐射或极端高温，而普通电子设备在这些条件下往往会停止工作。
这项研究融合了多个领域。生物学提供DNA，材料科学帮助塑造DNA，电子学帮助读取DNA，机器学习帮助解码DNA。
DNA不再仅仅被视为活细胞的一部分。如今，DNA被视为一种持久且安全的方式，可以存储和保护信息，以备将来之需。
