Naukowcy ukryli klucz szyfrowania tekstu Czarnoksiężnika z krainy Oz w plastikowych cząsteczkach

Naukowcy z University of Texas w Austin wysłali swoim kolegom z Massachusetts tajną wiadomość: klucz szyfrujący do otwarcia pliku tekstowego klasycznej powieści L. Franka Bohma. Czarnoksiężnik z Krainy Oz. Skręcanie: klucz szyfrowania został ukryty w specjalnym tuszu pokrytym polimerem, a opisali swoją pracę w: ostatni artykuł Opublikowano w czasopiśmie ACS Central Science.

Jeśli chodzi o alternatywne środki przechowywanie danych i wyszukiwania, celem jest przechowywanie danych w jak najmniejszej ilości miejsca w trwałym, czytelnym formacie. Wśród polimerów DNA zawsze było pod tym względem liderem. tak jak my Wspomniałem wcześniejDNA zawiera cztery chemiczne bloki budulcowe – adeninę (A), tyminę (T), guaninę (G) i cytozynę (C) – które tworzą rodzaj kodu. Informacje mogą być przechowywane w DNA poprzez konwersję danych z kodu binarnego na kod podstawowy 4 i przypisanie go do jednego z czterech znaków. Jeden gram DNA może reprezentować Około 1 miliard terabajtów (1 zettabajt) danych. Przechowywane dane mogą być przechowywane przez długie okresy – dekady, a nawet stulecia.

W ostatnich latach nastąpiły pewne innowacyjne fluktuacje w podstawowym sposobie przechowywania DNA. Na przykład w 2019 roku Naukowcy pomyślnie Stworzył wydrukowaną w 3D wersję królika Stanforda – typowy model testowy w grafice komputerowej 3D – która przechowywała instrukcje drukowania, aby odtworzyć królika. Królik przechowuje około 100 kilobajtów danych, dzięki dodaniu nanocząsteczek zawierających DNA do plastiku użytego do jego drukowania 3D. i naukowcy z University of Washington Nagrane teksty K-Pop bezpośrednio na żywych komórkach za pomocą „maszyny do pisania DNA”.

Jednak użycie DNA jako nośnika pamięci również stanowi wyzwanie, dlatego istnieje duże zainteresowanie znalezieniem innych alternatyw. W zeszłym roku naukowcy z Harvardu zaawansowane Podejście do przechowywania danych, które opiera się na mieszaninie barwników fluorescencyjnych nadrukowanych na powierzchni epoksydowej w postaci maleńkich kropek. Mieszanina barwników w każdym miejscu koduje informacje, które są następnie odczytywane za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego. Naukowcy przetestowali swoją metodę, przechowując XIX-wiecznego fizyka Michaił Podstawowe artykuły Faradaya dotyczące elektromagnetyzmu i chemii oraz obraz Faradaya w formacie JPEG.

Inni naukowcy badali możliwość wykorzystania polimerów niebiologicznych do przechowywania danych molekularnych oraz odszyfrowywania (lub odczytywania) przechowywanych informacji poprzez sekwencjonowanie polimerów przy użyciu tandemowej spektrometrii masowej. W 2019 r. naukowcy z Harvardu Pokaż pomyślnie Przechowuj informacje w mieszaninie dostępnych na rynku kilka peptydów na metalowej powierzchni, bez konieczności stosowania kosztownych i czasochłonnych technik syntezy.

Ten ostatni artykuł koncentrował się na wykorzystaniu Polimery specyficzne dla sekwencji (SDP) jako nośnik pamięci do szyfrowania dużego zestawu danych. SDP to zasadniczo długie łańcuchy monomerów, z których każdy odpowiada jednemu z 16 kodonów. „Ponieważ jest to polimer o bardzo specyficznej sekwencji, jednostki wzdłuż tej sekwencji mogą przenosić sekwencję informacji, tak jak każde zdanie, które zawiera informacje w sekwencji znaków” – powiedział współautor Eric Enslin z University of Texas. Powiedz nowemu naukowcowi.

Jednak według autorów te większe cząsteczki nie mogą przechowywać tylu informacji, co DNA, ponieważ proces przechowywania większej ilości danych z każdym dodatkowym monomerem staje się coraz bardziej nieefektywny, co sprawia, że ​​bardzo trudno jest uzyskać informacje przy obecnym zbiorze dostępnych narzędzi analitycznych. Dlatego należy stosować krótkie SDP, co ogranicza ilość danych, które można przechowywać na cząsteczkę. Anslin i jego koledzy wymyślili sposób na poprawę tej pojemności pamięci i przetestowali wykonalność swojej metody.

Po pierwsze, Enclin i in. Użyj 256-bitowego klucza szyfrowania, aby zakodować nowy Baum w dostępnym na rynku polimerze aminokwasowym. Sekwencje składają się z ośmiu oligouretanów, z których każdy ma długość 10 monomerów. Kluczowe znaczenie miały środkowe osiem monomerów, podczas gdy monomery na obu końcach sekwencji służyły jako symbole zastępcze do syntezy i dekodowania. Symbole zastępcze zostały „odciskane palcami” przy użyciu różnych etykiet izotopowych, takich jak znaczniki halogenowe, które wskazują, gdzie zakodowana informacja dla każdego polimeru pasuje do ostatecznego układu kluczy cyfrowych.

Następnie zmieszali razem wszystkie polimery i wykorzystali depolimeryzację, chromatografię cieczową i spektrometrię mas (LC/MS) do „odkodowania” oryginalnej struktury i klucza kodowania. Ostateczny niezależny test: zmieszali polimery w specjalnym tuszu wykonanym z izopropanolu, gliceryny i sadzy. Użyli atramentu do napisania listu do Jamesa Rothera z University of Massachusetts w Lowell. Następnie laboratorium Roethera wyodrębniło atrament z papieru i użyło tej samej analizy sekwencji do odzyskania binarnego klucza szyfrującego, ujawniając plik tekstowy Czarnoksiężnik z Krainy Oz.

Innymi słowy, laboratorium Anslina napisało list (list) zawierający kolejną tajną wiadomość (Czarnoksiężnik z Krainy Oz) ukryte w strukturze molekularnej atramentu. Mogą istnieć bardziej realistyczne sposoby osiągnięcia tego wyczynu, ale udaje im się przechowywać 256 bitów w SDP, bez używania długich wątków. „Po raz pierwszy tak dużo informacji jest przechowywanych w polimerze tego typu” Anslin powiedziałDodał, że włamanie stanowiło „rewolucyjny postęp naukowy w dziedzinie przechowywania danych molekularnych i kryptografii”.

Anslin i koledzy uważają, że ich metoda jest wystarczająco potężna do zastosowania w rzeczywistych zastosowaniach kryptograficznych. W przyszłości mają nadzieję nauczyć się automatyzować procesy pisania i czytania.

DOI: ACS Central Science, 2022. 10.1021 / acccentsci.2c00460 (O DOI).