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自计算机时代开始以来，研究人员一直在努力应对两个持续存在的挑战：如何存储不断增长的数据，以及如何保护这些信息不被意外访问。
自计算机时代开始以来，研究人员一直在努力应对两个持续存在的挑战：如何存储不断增长的数据，以及如何保护这些信息不被意外访问。
现在，亚利桑那州立大学生物设计研究所的研究人员和他们的同事提供了一个令人惊讶的答案。在两项新的研究中，他们展示了如何利用生命分子DNA来忠实地存储大量数据并提供强大的加密。
研究结果分别发表在《高级功能材料》和《自然通讯》杂志上，为硅基存储和加密解决方案提供了一种受自然启发的替代方案。它们可以帮助重塑未来微电子和分子信息系统的设计，用于广泛的应用。
“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董事教授、分子设计与仿生学生物设计中心主任郝岩说。我们在这里展示的是，生物分子，特别是DNA，可以被设计成以全新的方式存储和保护信息。通过将DNA视为一个信息平台，而不仅仅是一种遗传物质，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。
Yan和电气、计算机和能源工程学院副教授Chao Wang以及物理系副教授Rizal Hariadi一起领导了这个项目。该团队与亚利桑那州立大学的其他合作者共同撰写了这两项研究。这些论文的两位第一作者是Gde Bimananda Mahardika wisna和Penkun Xia。
随着世界产生大量的数字信息，今天的存储技术正在努力跟上。第一项研究展示了一种利用DNA存储信息的新方法——不是通过分析遗传字母，而是通过解释DNA的物理形状。
DNA之所以吸引人，是因为它可以在很小的物理体积中存储大量的信息，而且它可以在惊人的长时间内保持稳定。（2022年，研究人员从格陵兰岛大约200万年前的沉积物中恢复了DNA片段。）
这项新研究描述了微小DNA结构的设计和构造，这些结构就像字母表中的物理字母，每个字母都携带一条信息。当这些结构通过一个微型传感器时，机器学习软件会记录并分析细微的电信号。然后，系统可以高精度地将数据转换回可读的单词和短消息。
这种方法为依赖缓慢且昂贵的DNA测序的传统DNA数据存储方法提供了一个强大的替代方案。相比之下，新技术更快、更便宜、更可扩展。
这项工作指向了一个未来，DNA可以作为一种超密集、持久和安全的数据存储介质。它可以用很少的空间和能源来归档从科学记录到文化数据的大量信息。它还展示了合成生物学和半导体技术之间的一座强大桥梁，为超越传统电子学的新型分子信息系统打开了大门。
通过将DNA视为一个信息平台，而不仅仅是一种遗传物质，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。
亚利桑那州立大学董事教授Hao Yan
第一项研究的重点是DNA如何有效地存储信息，而第二项研究则探讨了DNA纳米结构如何通过加密来帮助保护信息。
在这项工作中，研究人员设计了复杂的DNA折纸结构——DNA链的折叠排列，形成精确的二维和三维形状。信息不是简单地以比特或字母的形式存储，而是以这些纳米级结构的排列和模式进行编码。这就产生了一种分子密码，如果没有正确的工具和参考模式，就很难解释。
为了读取加密信息，该团队使用了一种先进的超分辨率显微镜，可以以极高的精度可视化单个DNA结构。然后，机器学习软件分析成千上万的分子图像，将相似的模式分组，并将它们翻译回原始信息。如果没有正确的解码框架，模式本质上是没有意义的，增加了一层内置的安全性。
这种方法大大增加了可以创建的可能分子密码的数量，使未经授权的解码变得更加困难。它还允许将信息打包到三维DNA结构中，这为每个分子密钥增加了更多的复杂性和安全性。
“在这些研究中，我们的团队汇集了互补的方法，包括DNA纳米技术，超分辨率光学成像，高速电子读出和机器学习，以跨多个空间和时间尺度询问DNA纳米结构，”Wang说。这种综合策略有助于我们更好地理解DNA纳米结构的行为和功能。
这是在半导体技术和生物学交叉领域做研究的一个很好的例子。在这个新兴领域，更多的应用，从先进的生物传感到可编程纳米器件，仍有待探索。
这两项研究都是由美国国家科学基金会的半导体合成生物学电路和信息存储通信（semiynbio）项目资助的。展示了DNA不仅可以作为紧凑的存储介质，还可以作为纳米级安全信息处理的平台。一种技术强调分子信息的快速、电子式读出，而另一种技术则展示了分子模式本身如何作为数据的加密载体。
有朝一日，基于DNA的系统可能会支持科学数据、医疗记录或文化档案的超密集存储。分子加密技术可以为在极端温度、辐射或长期保存等传统电子设备难以应对的环境中保护敏感信息提供新方法。
这项研究突出了生物学、材料科学、计算和电子学之间日益融合的趋势。通过将DNA既是生物分子又是信息平台，研究人员正在开辟新的方法来存储、保护和访问数据，其规模要小得多，而且可能比今天的数字设备更耐用。
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