北卡罗来纳州立大学和约翰霍普金斯大学的研究人员展示了一项能够实现一系列数据存储和计算功能（重复存储、检索、计算、擦除或重写数据）的技术，该技术使用 DNA 而非传统电子设备。之前的 DNA 数据存储和计算技术可以完成部分但不是全部任务。
这篇题为“原始 DNA 存储和计算引擎”的论文发表在《自然纳米技术》杂志上。
“在传统的计算技术中，我们理所当然地认为数据的存储方式和处理方式是相互兼容的，”该项目负责人、该论文的共同通讯作者 Albert Keung 说道。
“但实际上，数据存储和数据处理是在计算机的不同部分完成的，现代计算机是一个复杂技术的网络。” Keung 是北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程副教授，也是 Goodnight 杰出学者。
“DNA 计算一直在努力解决当数据以核酸形式存储时如何存储、检索和计算的难题，”Keung 说。
“对于电子计算而言，设备的所有组件都兼容是这些技术具有吸引力的其中一个原因。但是，到目前为止，人们一直认为，虽然 DNA 数据存储可能对长期数据存储有用，但开发一种涵盖传统电子设备中所有操作的 DNA 技术是困难或不可能的：存储和移动数据；读取、擦除、重写、重新加载或计算特定数据文件的能力；并以可编程和可重复的方式完成所有这些操作。
“我们已经证明这些基于 DNA 的技术是可行的，因为我们已经制造出了一种。”
这项新技术得益于最新技术，这些技术能够创造出具有独特形态的软聚合物材料。
“具体来说，我们创建了称为树枝状胶体的聚合物结构——它们从微观尺度开始，但以分层的方式相互分支，从而创建纳米级纤维网络，”共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学 S. Frank 和 Doris Culberson 化学和生物分子工程杰出教授 Orlin Velev 说。
“这种形态创造了一种具有高表面积的结构，使我们能够将 DNA 沉积在纳米原纤维之间，而不会牺牲数据密度，而这正是 DNA 适合用于数据存储的原因。”
“你可以将一千台笔记本电脑的数据放入与铅笔橡皮擦大小相同的基于 DNA 的存储器中，”Keung 说。
“将 DNA 信息与存储该信息的纳米纤维区分开来的能力使我们能够执行许多电子设备可以实现的功能，”该论文的第一作者，北卡罗来纳州立大学前博士生 Kevin Lin 说道。
“我们可以直接从材料表面复制 DNA 信息，而不会损害 DNA。我们还可以擦除目标 DNA 片段，然后将其重写到同一表面，就像删除和重写硬盘上存储的信息一样。它实际上使我们能够进行全方位的 DNA 数据存储和计算功能。此外，我们发现，当我们将 DNA 沉积在树状胶体材料上时，该材料有助于保存 DNA。”
“你可以说，Keung 的团队提供的是微电路的等效物，而我的团队创建的树枝状胶体材料则提供了电路板，”Velev 说。
“我们的北卡罗来纳州立大学合作伙伴 Adriana San Miguel 帮助我们将材料整合到微流体通道中，引导核酸和试剂的流动，使我们能够移动数据并启动计算命令。约翰霍普金斯大学的 Winston Timp 实验室贡献了他们在纳米孔测序方面的专业知识，这有助于我们在从材料表面的 DNA 复制 RNA 数据后直接读取 RNA 中的数据。同样位于北卡罗来纳州立大学的 James Tuck 实验室开发了算法，使我们能够将数据转换为核酸序列，反之亦然，同时控制潜在的错误。”
研究人员已经证明，这种新的数据存储和计算技术（他们称之为“原始 DNA 存储和计算引擎”）能够解决简单的数独和国际象棋问题。测试表明，它可以在商用空间中安全地存储数据数千年，而不会降低存储信息的 DNA 的性能。
“此外，树枝状胶体主体材料本身相对便宜且易于制造，”Velev 说道。
“分子数据存储和计算引起了很多兴奋，但人们对该领域的实用性提出了重大疑问，”Keung 说。“我们回顾了计算的历史，以及 ENIAC 的诞生如何启发了该领域。我们希望开发出一些能够启发分子计算领域的东西。我们希望我们在这里所做的是朝着这个方向迈出的一步。”
该论文由北卡罗来纳州立大学前博士生 Kevin Volkel 和 Andrew Clark、北卡罗来纳州立大学博士生 Cyrus Cao 和 Rachel Polak、北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程副教授 Adriana San Miguel 、北卡罗来纳州立大学电气和计算机工程教授 James Tuck、约翰霍普金斯大学生物医学工程副教授 Winston Timp 和约翰霍普金斯大学博士后研究员 Paul Hook 共同撰写。
发表于 2024-8-23 14:57:11