Синтетични молекули се превръщат в центрове за данни?

Иноватори от Тексас и Масачузетс се вдъхновяват от биологичния модел на ДНК, за да генерират алтернативи на скъпите технологии

Може ли информация да се съхранява ефективно, да се кодира и декодира върху синтетични молекули, подобно на информацията в ДНК, без това да изисква гигантски центрове за данни, скъпо оборудване и мощно захранване с електричество? Да! – смятат учени от Университета на Тексас в Остин.

Те описват синтетична молекулярна система за съхранение и химическо кодиране на информация в специализирания журнал за иновативни разработки в областта на химията Chem. Според тях, ако синтетичните молекули бъдат проектирани така, че да съдържат електрохимична информация, съобщенията ще могат да се разчитат със собствени електрически сигнали.

“Молекулите могат да съхраняват информация за много дълги периоди,

без да се нуждаят от захранване

Природата ни е дала доказателство, че този принцип работи”, казва един от авторите на изследването - Правин Пасупати, цитиран от научната платформа EurekAlert. Според него това е първият опит да се запише информация върху синтетични полимерни молекули, която след това може да бъде прочетена с помощта на електрически сигнали.

Иноваторите не само измислят как молекулите да предоставят алтернативен вариант за запазване на огромни количества цифрова информация в малко пространство, но употребяват синтетичната молекулярна система, за да кодират, а после да декодират сложна 11-символна парола. За целта използват собствени електрически сигнали, а не скъпи инструменти за четене на молекулярни данни. Според учените алтернативният метод за химическо кодиране и декодиране на информация в синтетични молекули не само е по-лесен, по-практичен и по-щадящ откъм ресурси в сравнение с методите за разчитане на ДНК вериги, но и изключително устойчив, понеже не се нуждае от непрекъснато мощно захранване с енергия.

Вдъхновението зад този пробив идва от биологията. Известно е, че молекулите на ДНК са способни не само да съхраняват огромни количества информация в микроскопично пространство, без да изискват източник на енергия, но също така - тази информация да остане стабилна в продължение на стотици години.

В момента данни и информация се съхраняват върху твърди дискове, флаш памети и сървъри, които консумират огромно количество енергия. Четенето на данни също изисква време и високоспециализирано скъпо оборудване.

За да решат проблема и да създадат молекулярни съобщения, които са по-лесни за писане и четене, авторите на изследването решават да приложат един биологичен принцип, заложен в ДНК, но да започнат от нулата, като проектират по-различни молекули.

Така създават мономери, които имат различни електрохимични свойства и служат като своеобразни букви

на нова синтетична азбука. Всеки има уникално електрохимично поведение и реагира на различно напрежение. Когато започват да ги съчетават, изследователите създават 256 комбинации, достатъчни, за да представят почти всичко, което може да се напише. Екипът използва тази химическа “азбука” от символи, за да изгради верига от мономери, които образуват синтетичен полимер.

Истински впечатляващите резултати идват в процеса на декодиране. Вместо да използват лазери или сложни машини, учените използват електрохимичните свойства на молекулите да генерират електричество при разграждането на полимерната верига. Когато проследяват сигналите, докато молекулата се разпада, те успяват да разберат идентичността и реда на мономерите и да прочетат паролата, която са създали.

Иновацията идва на точното място в точното време. Човечеството генерира данни с невиждани досега темпове. През 2024 г. например са създадени 140 зетабайта информация – с 28% повече в сравнение с предишната година, отчита научната платформа ZME Science. Глобалното създаване на данни не само не се забавя, а даже напротив. Очакванията са в следващите години

обемът нови данни да надмине 180 ZB годишно

Затова учените започват да се питат дали местата за съхранение няма да започнат да свършват. Традиционните системи за съхранение като твърди дискове достигат своите граници, а и не могат да съхраняват информация за по-дълъг период. Центровете за данни пък изискват огромна инфраструктура, постоянно охлаждане и непрекъснато захранване, което поглъща огромни количества електричество. Декодирането също включва скъпо оборудване.

Кога обаче полимерните молекули ще бъдат готови да съхраняват данни в огромен мащаб? Преди технологията да замени сегашните системи за съхранение, има няколко предизвикателства, които учените трябва да решат. Едно от тях е процесът на четене. Тъй като декодирането на полимерите включва тяхното разграждане и унищожаване, всяко молекулярно съобщение може да бъде прочетено само веднъж. Затова замисълът – поне засега – е по-подходящ за еднократна употреба, каквато са паролите и ключовете за сигурност. Предложеният процес за декодиране също е далеч от съвършенството –

отключването на 11-символната парола отнело на иноваторите около 2 часа и половина

Въпреки че методът все още не преодолява разрушителните или отнемащи време аспекти на секвенирането, той прави първа стъпка към разработване на преносими, интегрирани технологии за съхранение на данни на базата на полимери, смята един от водещите автори - химикът Ерик Анслин от Тексаския университет в Остин. “Следващата стъпка е свързването на полимерите с интегрални схеми, където компютърните чипове се превръщат в система за четене на съхранената информация”, казва Анслин.

Това не е първият път, в който ДНК става източник на технологично вдъхновение за съхраняване на големи количества информация. През юни 2024 г. изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) разказаха в Journal of the American Chemical Society, че са създали стъкловиден, подобен на кехлибар полимер, който има потенциал за съхранение на геноми и друга информация при стайна температура, без опасност от топлина и влага. Този подход е различен от скъпото замразяване, което се прилага в момента, и което консумира огромни количества енергия.

“Мисля, че нашият нов метод за съхранение ще бъде технология, която може да движи бъдещето на съхранението на цифрова информация върху ДНК”, казва Джеймс Банал, бивш постдокторант в MIT. Според него този метод за съхранение с висока плътност теоретично би могъл да съхранява всички данни на света в количество ДНК с размерите на чаша.

За да постигнат това, изследователите от MIT разработват разградим термореактивен полимер от стирен и твърдо вещество, което защитава ДНК при температури до 75 градуса по Целзий. Изследователите успешно капсулират ДНК с различна дължина - от къси вериги до цели човешки геноми, без това да доведе до грешки или отклонения.

Иноваторите се надяват, че тяхната технология не само може да промени възможностите за дългосрочното съхранение на цифрова информация и критични биологични данни, каквито са геномите, но да играе съществена роля в персонализираната медицина.