歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)的實驗每年產(chǎn)生1500萬千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。這是大量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，可以刻錄在硬盤上，也可以傳輸?shù)?ldquo;云端”。納米綜合納米技術(shù)中心桑迪亞國家實驗室生物工程師George Bachand正在探索一種更好，更永久的方法來加密和存儲敏感數(shù)據(jù)：DNA。與數(shù)字和模擬信息存儲相比，DNA更緊湊，更耐用，永不過時?？勺xDNA是從育空地區(qū)發(fā)現(xiàn)的60萬年前的馬遺骸中提取的。

基于磁帶和磁盤的數(shù)據(jù)存儲會降級并且可能會過時，需要每十年左右重寫一次?；谠苹蚍?wù)器的存儲需要大量電力; 2011年，谷歌的服務(wù)器農(nóng)場使用了足夠的電力為20萬個美國家庭供電。此外，老派的方法需要大量的空間。IBM估計 1000千兆字節(jié)的書籍信息會占用7英里的書架。事實上，桑迪亞最近完成了一個15,000平方英尺的建筑，可存儲35,000箱非活動記錄和檔案文件。

“從歷史上看，國家實驗室和美國政府都有很多高度安全的信息，他們需要長期存儲。我認(rèn)為這是一種潛在的強(qiáng)有力的方式來存儲未來的機(jī)密信息，以保存它多代，”巴尚先生。“關(guān)鍵是你如何從文本轉(zhuǎn)向DNA，并以安全可靠的方式做到這一點。”

Bachand的靈感來自于將所有莎士比亞的十四行詩記錄到250萬個堿基對DNA中 - 大約是微小大腸桿菌細(xì)菌基因組的一半。使用這種方法，歐洲生物信息學(xué)研究所的這個小組理論上可以在一克DNA中存儲2.2PB的信息，是國會圖書館印刷材料的200倍。

Sandia和George Bachand配偶的生物工程師Marlene Bachand補(bǔ)充說：“我們正在利用生物成分DNA，并利用其獨特的能力以極小的體積編碼大量數(shù)據(jù)，以開發(fā)可構(gòu)建的DNA構(gòu)建體。用于傳輸和存儲大量加密數(shù)據(jù)用于安全目的。“

由桑迪亞實驗室指導(dǎo)研究和開發(fā)計劃資助的Bachands項目已成功從繪圖板轉(zhuǎn)移到信頭紙。該團(tuán)隊使用一個幾乎不可破解的加密密鑰，編寫了由哈里杜魯門總統(tǒng)寫入DNA的歷史信件的簡略版本。然后，他們制作了DNA，將其發(fā)現(xiàn)在桑迪亞信箋上，并將其郵寄到全國各地。在信件的越野之旅后，Bachands能夠從紙張中提取DNA，擴(kuò)增和測序DNA，并在大約24小時內(nèi)以大約45美元的成本對信息進(jìn)行解碼。

將文本加密為DNA并生成消息

為了實現(xiàn)這種原理驗證，第一步是開發(fā)軟件以生成加密密鑰并將文本加密成DNA序列。安德魯·戈麥斯(Andrew Gomez)在桑迪亞(Sandia)實習(xí)期間從事這項工作。他現(xiàn)在是新墨西哥大學(xué)科技園區(qū)的納米醫(yī)學(xué)公司Senior Scientific。

DNA由四個不同的堿基組成，通常用它們的單字母縮寫表示：A，C，G和T.使用三堿基代碼，確切地說生物體如何存儲它們的信息，64個不同的字符 - 字母，空格和標(biāo)點符號 - 可以編碼，有冗余空間。

例如，空格占文本文檔中字符的平均15%到20%，加密密鑰可以指定TAG，TAA和TGA每個代碼為“空格”，而GAA和CTC可以編碼為“E”。這將減少重復(fù)的數(shù)量 - 技術(shù)上制造和讀取DNA的挑戰(zhàn) - 并使蠻力黑客攻擊更加困難。

該團(tuán)隊的第一個測試是對180個字符的消息進(jìn)行編碼，大小與推文的大小相同。將消息編碼到550個基站很容易; 實際上使DNA很難。

“我們最初的方法非常昂貴，非常耗時并且無法正常工作，”George Bachand說。然而，“有一種新技術(shù)出現(xiàn)并且能夠采用合成DNA，即所謂的基因塊，并將它們拼接到這些人工染色體中。這些變化剛剛發(fā)生在過去的幾年里，這使它變得漂亮現(xiàn)在可以很容易地在臺面上制作這些基因塊，并且可以很快地在大規(guī)模的生產(chǎn)規(guī)模上完成。“

確定潛在的國家安全應(yīng)用

自從成功編碼，制作，讀取和解碼180個字符的消息和700個字符的杜魯門字母后，Bachands現(xiàn)在正致力于更長的測試序列。然而，Bachands真正想要做的是超越測試并將他們的技術(shù)應(yīng)用于國家安全問題。

“我們已經(jīng)實現(xiàn)了原則驗證。是的，這是可能的?，F(xiàn)在我們面臨的最大挑戰(zhàn)是確定潛在的應(yīng)用，”George Bachand說。“使用DNA來存儲信息非?？?，這是科幻小說，但真正的問題是它對任何事情都有好處嗎?它能真正取代現(xiàn)有技術(shù)中的任何技術(shù)以及我們未來的發(fā)展方向嗎?”

該團(tuán)隊已確定的兩個可能的應(yīng)用是存儲歷史機(jī)密文件和條形碼/水印機(jī)電組件，例如在存儲之前在微系統(tǒng)和工程科學(xué)應(yīng)用復(fù)合體，Sandia的國防部認(rèn)證的制造設(shè)施中制造的計算機(jī)芯片。

George Bachand想象將每個組件的歷史編碼 - 制造時，批號，起始材料，甚至可靠性測試的結(jié)果 - 編碼到DNA中并將其發(fā)現(xiàn)到實際芯片上。未來的工程師不必在數(shù)字或紙質(zhì)數(shù)據(jù)庫中查找序列號并查找元數(shù)據(jù)，而是可以擦拭芯片本身，對DNA進(jìn)行排序，并以實際防篡改的方式獲取信息。

為了測試可行性，Marlene Bachand發(fā)現(xiàn)實驗室設(shè)備帶有測試信息，即使經(jīng)過數(shù)月的日常使用和日常清潔，也能夠恢復(fù)和解碼信息。發(fā)現(xiàn)在電子元件上并存放在陰涼，黑暗環(huán)境中的DNA可以恢復(fù)數(shù)百年。

Bachands的DNA存儲方法的另一個更直接的應(yīng)用是歷史或很少訪問的機(jī)密文件。與基于磁盤或磁帶的存儲相比，DNA所需的維護(hù)要少得多，并且不需要大量電力或大量空間，如基于云或紙張的存儲。但將紙質(zhì)文件轉(zhuǎn)換為DNA需要“麻煩”的掃描，加密，然后合成DNA的過程，承認(rèn)喬治·巴尚。制造DNA是該過程中最昂貴的部分，但成本在過去幾年中大幅下降，并且應(yīng)該繼續(xù)下降。

“我希望這個項目的進(jìn)展和擴(kuò)展桑迪亞項目的生物范圍和性質(zhì)。我相信仿生學(xué)領(lǐng)域沒有界限?？紤]到加密和數(shù)據(jù)泄露破壞的所有問題，這項技術(shù)可能提供一條解決途徑這些及時且不斷增加的安全問題，“Marlene Bachand說。