DNA tarjoaa ratkaisun tiedontallennukseen ja salaukseen

Tietokoneiden aikakauden alusta lähtien tutkijat ovat painineet kahden jatkuvan haasteen kanssa: miten tallentaa jatkuvasti kasvavia datamääriä ja miten suojata nämä informaatio tahattomalta käytöltä.

Arizonan osavaltion yliopiston Biodesign-instituutin tutkijat kollegoillaan tarjoavat nyt yllättävän vastauksen. Kahdessa uudessa tutkimuksessa he osoittavat, kuinka elämän molekyyli DNA:ta voidaan valjastaa tallentamaan uskollisesti valtavia datamääriä ja tarjoamaan tehokasta salausta.

Ensimmäinen tutkimus keskittyy siihen, miten DNA voi tallentaa informaatiota tehokkaasti, kun taas toinen tutkii, miten DNA-nanorakenteet voisivat myös auttaa suojaamaan informaatiota salauksen avulla.

Tässä työssä tutkijat suunnittelevat monimutkaisia DNA-origami-rakenteita – taitettuja DNA-säikeiden järjestelmiä, jotka muodostavat tarkkoja kaksi- ja kolmiulotteisia muotoja. Sen sijaan, että dataa tallennettaisiin pelkästään bitteinä tai kirjaimina, se koodataan näiden nanomittakaavan rakenteiden järjestykseen ja kuvioon. Tämä luo eräänlaisen molekyylikoodin, jota on vaikea tulkita ilman oikeita työkaluja ja viitekuvioita.

Salatun informaation lukemiseen tiimi käyttää superresoluutioista mikroskopiaa, joka visualisoi yksittäisiä DNA-rakenteita erittäin tarkasti. Koneoppimisohjelmisto analysoi sitten tuhansia molekyylikuvia, ryhmittelee samankaltaisia kuvioita ja kääntää ne takaisin alkuperäiseksi viestiksi. Ilman oikeaa dekoodauskehystä kuviot ovat käytännössä merkityksettömiä, mikä lisää sisäänrakennetun tietoturvakerroksen.

Lähestymistapa lisää huomattavasti luotavien molekyylikoodien määrää, mikä tekee luvattomasta dekoodauksesta paljon vaikeampaa. Se mahdollistaa myös informaation pakkaamisen kolmiulotteisiin DNA-rakenteisiin, mikä lisää entisestään jokaisen molekyyliavaimen monimutkaisuutta ja turvallisuutta.

”Näissä tutkimuksissa tiimimme yhdistää toisiaan täydentäviä lähestymistapoja, kuten DNA-nanoteknologiaa, superresoluution optista kuvantamista, nopeaa elektronista lukua ja koneoppimista, tutkiakseen DNA-nanorakenteita useilla eri spatiaalisilla ja ajallisilla mittakaavoilla”, Chao Wang toteaa. ”Tämä integroitu strategia auttaa meitä ymmärtämään paremmin DNA-nanorakenteiden käyttäytymistä ja toimintaa.”

Yhdessä nämä kaksi tutkimusta osoittavat, kuinka DNA voi toimia paitsi kompaktina tallennusvälineenä myös alustana turvalliselle tiedonkäsittelylle nanotasolla. Toinen tekniikka korostaa molekyyli-informaation nopeaa, elektronista lukemista, kun taas toinen osoittaa, kuinka molekyylimallit itsessään voivat toimia salattuina datankantajina.

Aiheesta aiemmin:

DNA laskee ja tallentaa

DNA:n satunnaisuutta ja järjestyksellisyyttä hyödyntäen