Ученые: Селфи будут записывать в ДНК

Уже через несколько лет человечество будет делать более двух триллионов фото ежегодно. Часть из них останется на смартфонах, но большинство будет храниться в облаке, заполняя жесткие диски дата-центров. Однако у этих систем есть ограничения по объему данных и сроку их хранения, не говоря уже о влиянии на окружающую среду, передает naukatv.ru

Одной из альтернатив может стать хранение изображений в ДНК.

«По нашим оценкам, один грамм ДНК способен вместить около 215 миллионов гигабайт данных. Это эквивалентно 860 000 внешним жестким дискам емкостью 250 Гб с примерно 50 000 фотографий на каждом», — говорит профессор Турадж Эбрахими, возглавляющий в EPFL группу обработки мультимедиа.

Тысячи лет хранения

ДНК содержит всю информацию, необходимую организмам для жизни, роста и размножения. И она может хранить эти данные очень долго. В 2022 году ученые обнаружили ДНК во льдах Гренландии возрастом два миллиона лет.

Сегодня благодаря прогрессу в секвенировании и синтезе ДНК ученые могут читать и записывать этот «код жизни». Цепочки ДНК кодируют генетическую информацию с помощью последовательностей четырех нуклеотидов: аденина (A), тимина (T), цитозина (C) и гуанина (G).

Первый шаг для записи данных в ДНК— преобразование бинарного формата (0, 1) в последовательности нуклеотидов A, T, C, G. Затем их соединяют в цепочки ДНК и хранят в подходящих условиях. Когда приходит время прочитать данные, процесс повторяют в обратном порядке.

JPEG DNA — стандарт нового поколения

Этот подход обладает огромным потенциалом для долгосрочного архивирования, но есть и препятствия. Одно из них — высокая стоимость, другое — большое время, необходимое для сохранения и воспроизведения данных. Однако и преимущества велики: высокая плотность записи, долгий срок службы и низкое энергопотребление.

С 2014 года Эбрахими возглавляет Объединенную группу экспертов по фотографии JPEG (Joint Photographic Experts Group) и прилагает значительные усилия, чтобы идти в ногу со временем. Стандарт JPEG DNA — его последний масштабный проект.

«Это настоящий вызов — точно воссоздать изображения после их кодирования, синтеза, хранения, амплификации и секвенирования. Но с общепринятым стандартом инженеры смогут разрабатывать эффективные методы кодирования и сжатия изображений», — уверен профессор.

Его исследовательская группа разработала процедуру кодирования для оценки различных методов хранения на основе ДНК. Она включает набор эталонных изображений для тестирования, критерии сравнения методов, механизмы коррекции ошибок и техники работы с биохимическими ограничениями, такими как частота и порядок символов ДНК, которые могут дестабилизировать цепочки.

Кодирование для ДНК

Для работы с особенно большими мультимедийными файлами подготовлен новый алгоритм сжатия изображений, эффективно преобразующий бинарные данные в последовательности ДНК. Фото в формате .jpg не требуют предварительного декодирования. Их алгоритм не только быстр и надежен, но и требует меньше синтетической ДНК, вычислительных ресурсов и обеспечивает лучшее визуальное качество.

Инженеры EPFL совместно с комитетом JPEG интегрировали в стандарт JPEG DNA как исходный код (для сжатия изображений), так и кодирование для зашумленных каналов (чтобы сделать программу устойчивее к ошибкам и адаптировать ее к биохимическим ограничениям ДНК).

«Благодаря последним достижениям в области искусственного интеллекта и машинного обучения мы сможем усовершенствовать стандарт JPEG DNA, улучшив механизмы кодирования и коррекции ошибок, сохранив их совместимость с синтаксисом стандарта и процедурой декодирования», — заключил исследователь.

Комитет JPEG планирует представить международный стандарт JPEG DNA в 2026 году, он уже экспонируется в швейцарском павильоне на Всемирной выставке в Осаке.