数千年前の巻物は、長く忘れ去られていた文化や先人の知識を垣間見せてくれます。一方、デジタル時代の現在、私たちの知識の大部分はサーバーやハードドライブに保存されています。こうしたデータが50年後まで残るかどうかさえ、課題となるでしょう。まして数千年となればなおさらです。そのため研究者たちは、大量のデータを長期保存する新たな方法を探しています。とりわけ注目されているのは、自然界に存在する記録媒体、遺伝物質であるDNAです。
DNAは大量の情報をコンパクトに保存できるため、この用途に適しています。しかし残念ながら、データを常に誤りなく読み出せるわけではありません。化学的な劣化やDNA配列決定の誤りによって、符号化データに欠落や誤情報が生じます。今回、ETHチューリッヒの化学・応用生物科学部門の講師、ロバート・グラス率いる研究者たちは、情報を長期にわたり誤りなく保存する方法を明らかにしました。保存期間は、100万年以上に及ぶ可能性があります。まず情報を担うDNA断片をシリカ（ガラス）に封入し、次にアルゴリズムを用いてデータの誤りを訂正します。
保護の覆いとなる「合成化石」
2年前、研究者たちはDNAの形でデータを保存し、読み戻せることを実証しました。この場合、情報を書き込む、つまり対応するDNAの符号配列を合成してから、データを読み取る、すなわち配列決定するまでの期間はごく短いものでした。しかし短期間であっても、誤差の余地という問題があります。DNAの書き込みや読み取りの際に誤りが生じるためです。長期的には、DNAは環境と化学反応を起こして大きく変化する可能性があり、長期保存の障害となります。ところが、数十万年以上前の化石化した骨から見つかる遺伝物質は、封入され保護されていたため、分離して分析できます。「こうした骨と同じように、情報を担うDNAを人工の『化石』の殻で保護したいと考えました」とグラスは説明します。
そのため、研究チームはDNAを直径約150ナノメートルのシリカ球に封入しました。研究者たちは、スイスの1291年の連邦憲章と アルキメデスの『機械定理』 をDNAに符号化しました。情報を担うDNAが長期間にわたって劣化する様子をシミュレーションするため、研究者たちは温度を摂氏60～70度にして、最長1カ月間保存しました。このような高温では、数百年かけて起こる化学的劣化を数週間で再現できます。こうして研究者たちは、シリカガラスの殻に入れたDNAの保存を、含浸ろ紙上およびバイオポリマー中での一般的な保存方法と比較できました。ガラスの殻に封入したDNAは、とりわけ高い耐久性を示しました。フッ化物溶液を使えばシリカガラスから簡単に分離でき、情報を読み取ることもできました。
シリカへの封入は化石化した骨の封入とおおむね同等であるため、研究者たちは封入DNAの長期安定性に関する先史時代の情報を活用し、そこから予測を導き出せました。摂氏マイナス18度で保管されるスヴァールバル世界種子貯蔵庫のような低温環境で保存すれば、DNAに符号化された情報は100万年以上残り得ます。対照的に、マイクロフィルムに投影されたデータの保存可能期間は、推定でわずか500年です。
失われたデータ点を復元
それでも、大きな損傷を受けずに情報を長期間保存するだけでは不十分です。データは誤りなく読み取れる必要もあります。DNA配列決定技術の大きな進歩により、保存データの読み取りは手頃な価格になり、今後さらに費用対効果が高まるでしょう。しかし、これらの技術に誤りがないわけではありません。
この問題に対処するため、ETHチューリッヒ通信技術研究所のラインハルト・ヘッケルは、遠距離のデータ伝送、たとえば宇宙船との無線通信に使われるものと同様のリード・ソロモン符号に基づき、誤りを訂正する方式を開発しました。鍵となるのは、実際のデータに付加する追加情報だとヘッケルは説明します。「放物線を定義するには、基本的に3点だけで十分です。1点が失われたり移動したりした場合に備えて、さらに2点を加えました」。DNAに符号化されたデータは実際にはもっと複雑ですが、原理的には研究者たちのDNA符号化による安全な「バックアップ」も同じように機能します。厳しい条件で保存した場合でも、試験用に保存した情報、すなわちスイスの連邦憲章とアルキメデスの文書を、誤りなく読み出すことができました。
グラスは、どのような情報を何百万年も保存するのでしょうか。ユネスコの「世界の記憶」プログラムに登録された文書だといいます。そしてウィキペディアも。「詳しく記述された項目もあれば、そうでないものもあります。これはおそらく、私たちの社会が何を知り、何に関心を寄せ、それがどの程度なのかをよく示しているでしょう」
参考文献
Grass RN, Heckel R, Puddu M, Paunescu D, Stark WJ: 誤り訂正符号を用いた、シリカ中DNA上のデジタル情報の堅牢な化学的保存。Angewandte Chemie International Edition,54巻、8号、2552–2555ページ、DOI： 10.1002/anie.201411378。
本記事は、 ETH Zurichとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しません。
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著者：アンゲリカ・ヤコブス博士は、ETH Newsおよび「future blog」の科学編集者です。
画像：英国人のグラハム・ジョーンズ教授が、ソフィア中心部でDNA構造の長さ2.5メートルの模型の一部を示す。REUTERS/Stoyan Nenov
