Исследователи разработали технологию и архитектуру производства материалов со встроенной нестираемой памятью, используя ДНК. Банк закодированной информации солидного объёма, хранящейся в микроскопических стеклянных гранулах, можно поместить или спрятать внутри любого предмета из пластмассы или подобного материала, а воспользоваться ей, взяв небольшой фрагмент предмета и расшифровав информацию из ДНК.
Новая архитектура хранения данных названа «ДНК вещей» (DNA of things, или DoT), по аналогии с IoT («Интернет вещей»). В рамках технологии DoT молекулы ДНК используются для кодирования и хранения информации. Затем они впечатываются в микроскопические стеклянные шарики, которые можно вплавить в предметы из подходящего материала (как правило, пластмассы) любой формы. В частности, эти шарики можно добавить в пластическую массу для трёхмерной печати или отливки. В качестве информации можно инкапсулировать инструкции по воспроизведению самого предмета на принтере, что даёт этому методу сходство с принципом работы ДНК в природе: исходный материал содержит информацию о клонировании предмета. Статья об этой разработке вышла в ноябре в Nature Biotechnology.
Живые организмы хранят свои «рабочие программы» в собственном ДНК, включая информацию о воспроизводстве особи своего вида в следующих поколениях. Для изготовления неодушевлённых предметов, например, для 3D печати, необходим набор инструкций, отдельный от предмета и с ним не связанный: напечатанный на 3D- принтере предмет сам по себе не содержит информации о том, как его воспроизвести в будущем.
Группа исследователей из ETH в Цюрихе (нем. Eidgenössische Technische Hochschule Zürich) и нескольких израильских научных центров разработала способ хранения обширного объёма информации, включая инструкции по воспроизведению его посредством 3Д-печати, в самом объекте. Эта разработка является логическим следствием развития современных технологий. Кодирование информации в синтезированной ДНК — популярное направление последних лет на стыке теории информации и генетики. Один из авторов этой работы Роберт Грасс (Robert Grass) ввёл метод маркировки материалов при помощи «штрихкода» ДНК, впечатанной в стеклянные шарики наноразмеров. Такие наношарики используются в промышленности для маркировки некоторых «фирменных» продуктов и материалов, тем самым позволяя отличить их от подделок; также их используют геологи в качестве меченых частиц, например, для исследования распространения подземных вод. Штрихкод ДНК содержал всего 100 бит информации, и разработка архитектуры на основе подобных хранилищ заключается, прежде всего, в увеличении их ёмкости до привычных мега- и гигабайт. Второй автор работы, израильский специалист по теории вычислительных систем Yaniv Erlich, разработал метод, теоретически позволяющий хранить в одном грамме ДНК 200 терабайт информации.
В качестве рабочего примера исследователи напечатали на 3D-принтере пластмассового кролика, в котором хранится информация (около 50 килобайт данных) о том, как напечатать этого пластмассового кролика на 3D-принтере. Для этого в пластическую массу добавляются мелкие стеклянные шарики, содержащие «ДНК» объекта. Получился кролик со встроенным чертежом с инструкциями по «самовоспроизводству». Более того, подобно настоящей ДНК, полная информация о копировании таким образом хранится в любой части изделия и для воспроизведения можно взять небольшой кусочек модели. В эксперименте удалось продемонстрировать «клонирование по ДНК» в нескольких поколениях: из модели отщипывали маленький кусочек пластика, и по содержащейся в нём информации воспроизводили на печати кролика — «потомка». Таким образом удалось получить пять клонированных «поколений» исходного 3D-отпечатка.
Напрашивающееся приложение этой технологии — укрытие информации в обычных предметах, которые непосвящённому человеку сложно заподозрить как хранилище данных. Стеклянные микробусинки с большим объёмом информации технически можно незаметно вплавить в любой пластмассовый предмет, например, в стёкла очков; более того, они могут существовать и внутри тел в твёрдом или жидком состоянии. Для сохранения информации достаточно, чтобы предмет-хранилище не подвергался воздействию слишком высоких температур при изготовлении и впоследствии. Специалисты называют подобные технологии укрытия информации в бытовых предметах термином «стеганография».
«Инструкция по изготовлению кролика» содержала всего 45 килобайт информации. Дальнейшие шаги в сторону промышленного использования технологии включают не только проверку воспроизводимости в «поколениях», но и проверку возможности масштабирования, то есть использования таких хранилищ для любой информации, желательно солидного объёма, сопоставимого с традиционными накопителями. Учёные закодировали посредством «ДНК вещей» видеоролик размером 1,4 Мб и вплавили стеклянные микрогранулы с ДНК в пластиковые стёкла очков. Ролик им удалось затем раскодировать, взяв небольшой кусочек линзы и произведя секвенирование ДНК из него. Также учёным удалось зашифровать в ДНК один музыкальный альбом — 15 Мб информации.
Другая область применения технологии «ДНК вещей» — маркировка лекарств или строительных материалов, например, краски или связующих растворов. Это позволит хранить информацию о производителе, а также необходимые данные о приёмочных испытаниях и сертификаты качества в самих продуктах и моментально считывать такую информацию из самого изделия. Также такая методика позволит эффективнее отслеживать контрафакты и проводить контроль идентичности материала.
Несомненное преимущество технологии — потенциальная долговечность носителей информации, намного превышающая долговечность современных DVD и магнитных накопителей. Однако на сегодня такая печать из ДНК является слишком дорогой. Так, затраты на воспроизведение того самого пластмассового кролика, по подсчётам авторов, составляют 2000 швейцарских франков. Существенная часть круглой суммы — это синтезирование соответствующих молекул ДНК. Вероятно, в массовом производстве расходы на единицу продукта будут ниже, но пока что такие кролики вряд ли окупятся для свободной продажи.
