研究人员将信息安全地存储在DNA中

欧洲核子研究中心大型强子对撞机的实验每年产生1500万千兆字节的数据。这是大量的数字数据，可以刻录在硬盘上，也可以传输到“云端”。纳米综合纳米技术中心桑迪亚国家实验室生物工程师George Bachand正在探索一种更好，更永久的方法来加密和存储敏感数据：DNA。与数字和模拟信息存储相比，DNA更紧凑，更耐用，永不过时。可读DNA是从育空地区发现的60万年前的马遗骸中提取的。

基于磁带和磁盘的数据存储会降级并且可能会过时，需要每十年左右重写一次。基于云或服务器的存储需要大量电力; 2011年，谷歌的服务器农场使用了足够的电力为20万个美国家庭供电。此外，老派的方法需要大量的空间。IBM估计 1000千兆字节的书籍信息会占用7英里的书架。事实上，桑迪亚最近完成了一个15,000平方英尺的建筑，可存储35,000箱非活动记录和档案文件。

“从历史上看，国家实验室和美国政府都有很多高度安全的信息，他们需要长期存储。我认为这是一种潜在的强有力的方式来存储未来的机密信息，以保存它多代，”巴尚先生。“关键是你如何从文本转向DNA，并以安全可靠的方式做到这一点。”

Bachand的灵感来自于将所有莎士比亚的十四行诗记录到250万个碱基对DNA中 - 大约是微小大肠杆菌细菌基因组的一半。使用这种方法，欧洲生物信息学研究所的这个小组理论上可以在一克DNA中存储2.2PB的信息，是国会图书馆印刷材料的200倍。

Sandia和George Bachand配偶的生物工程师Marlene Bachand补充说：“我们正在利用生物成分DNA，并利用其独特的能力以极小的体积编码大量数据，以开发可构建的DNA构建体。用于传输和存储大量加密数据用于安全目的。“

由桑迪亚实验室指导研究和开发计划资助的Bachands项目已成功从绘图板转移到信头纸。该团队使用一个几乎不可破解的加密密钥，编写了由哈里杜鲁门总统写入DNA的历史信件的简略版本。然后，他们制作了DNA，将其发现在桑迪亚信笺上，并将其邮寄到全国各地。在信件的越野之旅后，Bachands能够从纸张中提取DNA，扩增和测序DNA，并在大约24小时内以大约45美元的成本对信息进行解码。

将文本加密为DNA并生成消息

为了实现这种原理验证，第一步是开发软件以生成加密密钥并将文本加密成DNA序列。安德鲁·戈麦斯(Andrew Gomez)在桑迪亚(Sandia)实习期间从事这项工作。他现在是新墨西哥大学科技园区的纳米医学公司Senior Scientific。

DNA由四个不同的碱基组成，通常用它们的单字母缩写表示：A，C，G和T.使用三碱基代码，确切地说生物体如何存储它们的信息，64个不同的字符 - 字母，空格和标点符号 - 可以编码，有冗余空间。

例如，空格占文本文档中字符的平均15%到20%，加密密钥可以指定TAG，TAA和TGA每个代码为“空格”，而GAA和CTC可以编码为“E”。这将减少重复的数量 - 技术上制造和读取DNA的挑战 - 并使蛮力黑客攻击更加困难。

该团队的第一个测试是对180个字符的消息进行编码，大小与推文的大小相同。将消息编码到550个基站很容易; 实际上使DNA很难。

“我们最初的方法非常昂贵，非常耗时并且无法正常工作，”George Bachand说。然而，“有一种新技术出现并且能够采用合成DNA，即所谓的基因块，并将它们拼接到这些人工染色体中。这些变化刚刚发生在过去的几年里，这使它变得漂亮现在可以很容易地在台面上制作这些基因块，并且可以很快地在大规模的生产规模上完成。“

确定潜在的国家安全应用

自从成功编码，制作，读取和解码180个字符的消息和700个字符的杜鲁门字母后，Bachands现在正致力于更长的测试序列。然而，Bachands真正想要做的是超越测试并将他们的技术应用于国家安全问题。

“我们已经实现了原则验证。是的，这是可能的。现在我们面临的最大挑战是确定潜在的应用，”George Bachand说。“使用DNA来存储信息非常酷，这是科幻小说，但真正的问题是它对任何事情都有好处吗?它能真正取代现有技术中的任何技术以及我们未来的发展方向吗?”

该团队已确定的两个可能的应用是存储历史机密文件和条形码/水印机电组件，例如在存储之前在微系统和工程科学应用复合体，Sandia的国防部认证的制造设施中制造的计算机芯片。

George Bachand想象将每个组件的历史编码 - 制造时，批号，起始材料，甚至可靠性测试的结果 - 编码到DNA中并将其发现到实际芯片上。未来的工程师不必在数字或纸质数据库中查找序列号并查找元数据，而是可以擦拭芯片本身，对DNA进行排序，并以实际防篡改的方式获取信息。

为了测试可行性，Marlene Bachand发现实验室设备带有测试信息，即使经过数月的日常使用和日常清洁，也能够恢复和解码信息。发现在电子元件上并存放在阴凉，黑暗环境中的DNA可以恢复数百年。

Bachands的DNA存储方法的另一个更直接的应用是历史或很少访问的机密文件。与基于磁盘或磁带的存储相比，DNA所需的维护要少得多，并且不需要大量电力或大量空间，如基于云或纸张的存储。但将纸质文件转换为DNA需要“麻烦”的扫描，加密，然后合成DNA的过程，承认乔治·巴尚。制造DNA是该过程中最昂贵的部分，但成本在过去几年中大幅下降，并且应该继续下降。

“我希望这个项目的进展和扩展桑迪亚项目的生物范围和性质。我相信仿生学领域没有界限。考虑到加密和数据泄露破坏的所有问题，这项技术可能提供一条解决途径这些及时且不断增加的安全问题，“Marlene Bachand说。