Цифрово безсмъртие за човечеството: ИИ ускори разчитането на ДНК архивите с хиляди пъти

Сега можем да запазим спомените си за милиони години…

Израелски учени от Технион разработиха ИИ алгоритъм, който позволява 3200 пъти по-бързо извличане на информацията, съхранена в молекулите на ДНК. Освен това те са успели да постигнат значително подобрение на точността на този процес.

Съхраняването на информация в ДНК е едно от най-обещаващите направления в развитието на системите за цифрова памет. Молекулите на наследствения материал са способни да съхраняват данни в продължение на стотици хиляди години. Това се потвърждава например от успешното извличане на генетичния код от останките на древен кон на 700 000 години и мамути, живели преди повече от милион години. За сравнение, съвременните магнитни устройства за съхранение, използвани в центровете за данни, издържат най-много няколко десетилетия.

Предимствата на ДНК като носител на цифрова информация не се ограничават само до продължителността на живота. Съвременните центрове за данни консумират около 3% от световната електроенергия и произвеждат 2% от световните емисии на въглероден диоксид. Като се има предвид експоненциалното нарастване на обема на информацията, това екологично натоварване ще продължи да се увеличава. Използването на биологични носители значително ще намали консумацията на енергия.

Особено впечатляваща е плътността на запис в ДНК молекулите – тя е 100 милиона пъти по-голяма от възможностите на традиционните цифрови носители. В обем, който сега побира един мегабайт, теоретично е възможно да се поставят до 100 терабайта с помощта на биологичните технологии.

Съхранението на данни се основава на последователност от органични съединения – нуклеотиди от четири вида, означавани с буквите A, C, G и T. За разлика от компютрите, които използват двоичен код от нули и единици, четирите символа осигуряват много по-голям брой възможни комбинации.

Съществуват обаче и пречки. При записването на данните се извършва химически синтез на ДНК, по време на който нуклеотидите невинаги се включват точно в дадената последователност – някои могат да изпаднат от веригата, други да бъдат включени на ненужни места, а трети да бъдат заменени с неправилни. Освен това всяка носеща молекула се възпроизвежда в множество неидентични копия, които се смесват хаотично в разтвора. В резултат на това, когато се опитваме да прочетем информацията, трябва да се справим с множество неточни копия, някои от които също се губят в процеса на биохимичния анализ.

Затова специалистите от Технион са създали DNAformer – система, способна да реконструира оригиналните последователности от набор от неточни копия. Методът се основава на трансформационна невронна мрежа, обучена на виртуални данни, за да разпознава и коригира типичните грешки при синтеза и секвенирането. Алгоритъмът е допълнен със специален код за корекция, който е особено ефективен при работа със силно изкривени фрагменти от генетичния текст.

Работоспособността на технологията е тествана върху разнообразен набор от файлове с размер 3,1 мегабайта. Той включва цветна снимка, исторически аудиозапис на първите думи на Нийл Армстронг на повърхността на Луната, научен текст за перспективите за съхранение на ДНК и блок от криптирани данни, за да се провери универсалността на метода.

Резултатите надминаха всички очаквания: DNAformer обработва до 100 мегабайта информация 3200 пъти по-бързо от съществуващите методи със същата точност. А в сравнение с бързите, но не толкова надеждни методи, той показа 40% по-малко грешки при значително по-висока скорост.

Изследователският екип планира да създаде специализирани версии на своята разработка за различни задачи. Архитектурата на системата позволява лесно увеличаване на нейните възможности, така че методът ще може да се развива заедно с технологиите за синтез и разчитане на ДНК, обработвайки все по-големи количества данни.