セルフィがいずれDNAストランドに保存されるようになる

August, 7, 2025, Lausanne--画像の保存に関しては、DNA ストランド(鎖)はハード ドライブに代わる持続可能で安定した代替品となる可能性がある。EPFLの研究者は、この新興テクノロジー専用に設計された新しい画像圧縮標準を開発している。

数年以内に、われわれは合計で毎年2兆枚以上の写真を撮ることになる。一部の画像はスマートフォンに残るが、その多くはクラウドに保存され、データセンタの磁気テープやハードドライブを埋め尽す。しかし、これらのシステムには、環境への影響は言うまでもなく、保存できるデータの量と期間という点で制限がある。

別の方法の 1 つは、画像を DNA に保存することである。「1グラムのDNAには約2億1,500万ギガバイト(GB)のデータが保存できると推定されている。これは、容量 250Gb の外付けハード ドライブ 860,000 台に相当し、それぞれ約 50,000 枚の写真を保存するのに十分である」と、画像処理の専門家でEPFLのマルチメディア信号処理グループ責任者、Touradj Ebrahimiは説明している。

数千年にわたるデータストレージ
DNAには、生物が生き、成長し、繁殖するために必要なすべての情報が含まれている。また、この情報を非常に長期間保存できる。2022年、科学者たちはグリーンランドの氷床で200万年前のDNAを発見した。

今日、科学者はDNA配列決定と合成の進歩のおかげで、この「生命の暗号」を読み書きすることができる。DNAストランドは、アデニン(A)、チミン(T)、シトシン(C)、グアニン(G)の4つのヌクレオチドの特定の配列を通じて遺伝情報をエンコードする。

DNAをデータ保存に使用する場合、最初のステップは、バイナリ形式(0、1)をDNA配列(A、T、C、G)に変換することである。次に、これらの配列を合成して DNAストランドにし、適切な環境に保管する。データを読み取るときになると、同じプロセスを逆に経てDNA鎖が解読される。

JPEG DNA、次世代標準
このアプローチは長期アーカイブの大きな可能性を秘めていますが、いくつかのハードルが残っている。1つは高コストであること。もう 1 つは、データのアーカイブとリカバリの両方にかなりの時間が必要であること。しかし、DNAは、高いストレージ密度、長寿命、低電力要件の点で大きな利点を提供する。この技術は、Ebrahimiの研究室を含む世界中の研究者によって研究されている。

2014年からJoint Photographic Experts Group(JPEG)委員会の委員長を務めているEbrahimiは、JPEG形式を新しいテクノロジーや社会の変化に適応させることで、JPEG形式を主要な画像ストレージ標準として定着させるのに貢献している。

同氏の最新のプロジェクトは、国際電気標準会議、日本の拓殖大学、およびその他の組織と共同で実施されたJPEG DNAである。このプロジェクトは、合成DNAで使用するための画像圧縮標準の開発を目的としている。「エンコード、合成、保存、増幅、配列決定を経て、画像を正確に再現することは非常に難しい。しかし、広く採用されている標準があれば、エンジニアは効果的なコーディングと画像圧縮の方法を開発できるようになる」(Ebrahimi)。

このプロジェクトの一環として、Ebrahimiの研究グループは、様々なDNAベースの保存方法を評価するために使用できるコーディング手順を設計した。この手順には、テストを実行するための事前定義された画像のセット、様々な方法を比較するための基準、エラー訂正メカニズム、および画像によって生成される DNA シンボルの頻度や順序などの生化学的制約を処理するための技術が含まれており、DNAストランドを不安定にする可能性がある。

DNAのコーディング
特に大きなマルチメディアファイルを処理するために、研究チームはバイナリデータをDNA配列に効率的にエンコードできる新しい画像圧縮アルゴリズムを開発した。.jpgフォーマットで提供される画像は、事前にデコードする必要はない。その新しいアルゴリズムは高速で信頼性が高いだけでなく、合成DNAの生成が少なく、必要な処理能力が少なく、画質が向上する。

EPFLのエンジニアは、JPEG委員会と協力して、ソースコード(画像圧縮用)とノイズチャネルコーディング(プログラムをエラーに対してより堅牢にし、DNAの生化学的制約に適応させるため)の両方をJPEG DNA標準に組み込んだ。

「人工知能と機械学習の最近の進歩のおかげで、標準の構文とソースのデコード手順との互換性を維持しながら、エンコードとエラー訂正のメカニズムを改善することで、JPEG DNA標準を改良できるはずである」とEbrahimiはコメントしている。

JPEG委員会は、2026年にJPEG DNA国際標準を導入する予定である。