Волшебника страны Оз в полимерах.”>С. Д. Дальхаузер и др., 2022 г.
Ученые из Техасского университета в Остине отправили коллегам в Массачусетс письмо с секретным сообщением: ключ шифрования для разблокировки текстового файла классического романа Л. Фрэнка Баума Чудесный волшебник из страны Оз. Поворот: ключ шифрования был спрятан в специальных чернилах, пропитанных полимерами. Они описали свою работу в недавней статье, опубликованной в журнале ACS Central Science.
Когда речь идет об альтернативных средствах хранения и извлечения данных, цель состоит в том, чтобы хранить данные в наименьшем объеме пространства в надежном и удобочитаемом формате. Среди полимеров ДНК долгое время лидировала в этом отношении. Как мы сообщали ранее, ДНК состоит из четырех химических строительных блоков — аденина (А), тимина (Т), гуанина (G) и цитозина (С), — которые составляют тип кода. Информация может храниться в ДНК путем преобразования данных из двоичного кода в код с основанием 4 и присвоения ему одной из четырех букв. Один грамм ДНК может представлять почти 1 миллиард терабайт (1 зеттабайт) данных. А сохраненные данные могут храниться в течение длительного времени — десятилетий или даже столетий.
В последние годы в базовый метод хранения ДНК были внесены некоторые изобретательные изменения. Например, в 2019 году ученые успешно изготовили напечатанную на 3D-принтере версию Стэнфордского кролика — распространенную тестовую модель в 3D-компьютерной графике, — в которой хранились инструкции по печати для воспроизведения кролика. Кролик содержит около 100 килобайт данных благодаря добавлению ДНК-содержащих наногранул в пластик, используемый для 3D-печати. А ученые из Вашингтонского университета недавно записали тексты K-Pop прямо на живые клетки, используя «пишущую машинку ДНК».
Но использование ДНК в качестве носителя также сопряжено с трудностями, поэтому существует большой интерес к поиску других альтернатив. В прошлом году ученые Гарвардского университета разработали подход к хранению данных, основанный на смесях флуоресцентных красителей, нанесенных на поверхность эпоксидной смолы крошечными точками. Смесь красителей в каждом пятне кодирует информацию, которая затем считывается с помощью флуоресцентного микроскопа. Исследователи проверили свой метод, сохранив одну из основополагающих статей физика 19-го века Майкла Фарадея по электромагнетизму и химии, а также изображение Фарадея в формате JPEG.
Другие ученые исследовали возможность использования небиологических полимеров для хранения молекулярных данных, декодирования (или считывания) сохраненной информации путем секвенирования полимеров с помощью тандемной масс-спектрометрии. В 2019 году ученые из Гарварда успешно продемонстрировали хранение информации в смеси коммерчески доступных олигопептидов на поверхности металла без необходимости использования трудоемких и дорогостоящих методов синтеза.
Центральная наука ACS 2022/CC BY-NC-ND
Эта последняя статья посвящена использованию полимеров с определенной последовательностью (SDP) в качестве носителя для шифрования большого набора данных. SDP в основном представляют собой длинные цепочки мономеров, каждая из которых соответствует одному из 16 символов. «Поскольку это полимер с очень специфической последовательностью, элементы этой последовательности могут нести последовательность информации, точно так же, как любое предложение несет информацию в последовательности букв», — сказал соавтор Эрик Анслин из UT.
Но эти макромолекулы не могут хранить столько информации, сколько ДНК, по словам авторов, поскольку процесс хранения большего количества данных с каждым дополнительным мономером становится все более неэффективным, что делает чрезвычайно трудным получение информации с помощью имеющегося набора аналитических инструментов. Поэтому необходимо использовать короткие SDP, что ограничивает объем данных, которые можно хранить на молекулу. Анслин и его соавторы нашли способ улучшить эту емкость и проверили жизнеспособность своего метода.
Во-первых, Энслин и другие. использовали 256-битный ключ шифрования, чтобы закодировать роман Баума в полимерный материал, состоящий из коммерчески доступных аминокислот. Последовательности состояли из восьми олигоуретанов, каждая длиной 10 мономеров. Средние восемь мономеров содержали ключ, в то время как мономеры на обоих концах последовательности служили заполнителями для синтеза и декодирования. Заполнители были «отпечатаны пальцами» с использованием различных изотопных меток, таких как галогенные метки, указывающих, где закодированная информация каждого полимера соответствует порядку окончательного цифрового ключа.
Затем они смешали все полимеры вместе и использовали деполимеризацию и жидкостную хроматографию-масс-спектрометрию (ЖХ/МС), чтобы «расшифровать» исходную структуру и ключ шифрования. Финальный независимый тест: они смешали полимеры со специальными чернилами из изопропанола, глицерина и сажи. Они использовали чернила, чтобы написать письмо Джеймсу Рейтеру из Массачусетского университета в Лоуэлле. Затем лаборатория Ройтера извлекла чернила из бумаги и использовала тот же последовательный анализ для извлечения двоичного ключа шифрования, обнаружив текстовый файл Чудесный волшебник из страны Оз.
Другими словами, лаборатория Анслина написала сообщение (письмо), содержащее еще одно секретное сообщение (Чудесный волшебник из страны Оз), скрытые в молекулярной структуре чернил. Могут быть более прагматичные способы достижения этой цели, но они успешно сохранили 256 битов в SDP без использования длинных цепочек. «Впервые такое количество информации хранится в полимере такого типа», — сказал Анслин, добавив, что прорыв представляет собой «революционный научный прогресс в области хранения молекулярных данных и криптографии».
Анслин и его коллеги считают, что их метод достаточно надежен для реальных приложений шифрования. В дальнейшем они надеются выяснить, как роботизировать процессы письма и чтения.
DOI: ACS Central Science, 2022. 10.1021/acscentsci.2c00460 (О DOI).
