W ciągu ostatnich kilku lat naukowcy rozszyfrowali genomy mamutów i koni liczących 700 000 lat przy użyciu fragmentów DNA pochodzących ze skamieniałości. DNA z pewnością trwa znacznie dłużej niż organizmy, dla których przenosi kody genetyczne. Informatycy i inżynierowie od dawna marzyli o wykorzystaniu znikomości i odporności DNA do przechowywania danych cyfrowych. Chcą zakodować wszystkie te zera i jedynki w cząsteczki A, C, G i T, które tworzą spiralne schody polimeru DNA - a postępy w syntezie i sekwencjonowaniu DNA w tej dekadzie doprowadziły do wielkiego przełomu. Niedawne eksperymenty wykazały, że pewnego dnia będziemy w stanie zakodować wszystkie cyfrowe informacje świata w kilku litrach DNA - i przeczytać je ponownie tysiące lat później.
Zainteresowanie Microsoftu i innych firm technologicznych zwiększa napięcie w tej dziedzinie. W zeszłym miesiącu Microsoft Research powiedział, że zapłaci Twist Bioscience, start-upowi z biologii syntetycznej, za stworzenie 10 milionów nici DNA zaprojektowanych przez informatyków Microsoftu do przechowywania danych. Wiodący producent pamięci, firma Micron Technology, finansuje również badania nad przechowywaniem DNA w celu ustalenia, czy system kwasów nukleinowych może przesuwać granice pamięci elektronicznej. Ten napływ pieniędzy i odsetek może stopniowo zmniejszyć wygórowane koszty i umożliwić przechowywanie danych w DNA w ciągu dziesięciu lat - twierdzą naukowcy.
Do 2017 roku ludzie wygenerują ponad 16 bilionów gigabajtów danych cyfrowych, z których większość będzie musiała zostać zarchiwizowana. Dane prawne, finansowe i medyczne oraz oczywiście pliki multimedialne. Obecnie dane są przechowywane na dyskach twardych, dyskach optycznych w energochłonnych centrach danych wielkości magazynu. W najlepszym przypadku dane te są przechowywane przez trzydzieści lat, w najgorszym - kilka. Ponadto, według architekta komputerowego Microsoft Research, Karin Strauss: „Produkujemy o wiele więcej danych, niż jest w stanie wyprodukować branża pamięci masowej, a prognozy pokazują, że różnica będzie się powiększać”.
Teraz dodajmy do tego wszystkiego DNA. Żyje przez wieki, jeśli jest przechowywany w chłodnym, suchym miejscu. Teoretycznie może zmieścić miliardy gigabajtów danych w kostce cukru. Taśma, najgęstszy dostępny obecnie nośnik pamięci, może pomieścić 10 gigabajtów na tej samej ilości miejsca. „DNA jest niezwykle gęstym, trwałym i nielotnym nośnikiem danych” - mówi Olgica Milenkovic, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign.
Dzieje się tak, ponieważ każda z czterech cząsteczek budulcowych - adenina (A), cytozyna ©, guanina (G) i tymina (T) - zajmuje objętość nanometra sześciennego. Używając systemu kodowania - powiedzmy, w którym A reprezentuje bity „00”, C reprezentuje „01” i tak dalej - naukowcy mogą wziąć rzędy jedynek i zer, które tworzą cyfrowe pliki danych, i stworzyć nić DNA zawierającą migawkę lub wideo. Oczywiście prawdziwa technika kodowania jest znacznie bardziej skomplikowana, niż napisaliśmy tutaj dla Ciebie. Synteza projektowanej nici DNA to proces zapisywania danych. Naukowcy mogą następnie odczytać je, sekwencjonując łańcuchy.
Genetyk z Harvardu, George Church, założył ten obszar badań w 2012 roku, kodując 70 miliardów kopii książki - milion gigabitów - w milimetr sześciennych DNA. Rok później naukowcy z Europejskiego Instytutu Bioinformatyki wykazali, że potrafią bezbłędnie odczytać 739 kilobajtów danych zawartych w DNA.
W ubiegłym roku kilka zespołów naukowców zademonstrowało w pełni działające systemy. W sierpniu naukowcy z ETH w Zurychu zamknęli syntetyczny DNA w szkle, poddali go warunkom symulującym upływ 2000 lat i całkowicie odzyskali zakodowane dane. Równolegle Milenkovic i jej koledzy poinformowali, że sześć amerykańskich uniwersytetów zapisało strony Wikipedii w DNA i - poprzez dostarczenie sekwencji ze specjalnymi „adresami” - selektywnie przeczytało i zredagowało fragmenty tekstu pisanego. Losowy dostęp do danych ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia konieczności „sekwencjonowania całej książki, aby przeczytać tylko jeden akapit” - mówi Milenkovich.
W kwietniu Strauss i naukowcy Jord Seelig i Luis Tsese z University of Washington poinformowali, że byli w stanie napisać trzy pliki obrazów, każdy po kilkadziesiąt kilobajtów, w 40 000 nici DNA przy użyciu własnego schematu kodowania, a następnie odczytać je indywidualnie, a nie robienie błędów. Swoje prace zaprezentowali w kwietniu na konferencji Stowarzyszenia Informatyki Elektronicznej. Mając 10 milionów ciągów, które Microsoft kupuje od Twist Bioscience, naukowcy planują udowodnić, że dane DNA mogą być przechowywane na znacznie większą skalę. „Naszym celem jest zademonstrowanie ostatecznego systemu, w którym kodujemy pliki DNA, syntetyzujemy cząsteczki, przechowujemy je przez długi czas, a następnie przywracamy je poprzez sekwencjonowanie DNA” - mówi Strauss. „Zaczynamy od bitów i wracamy do bitów”.
Film promocyjny:
Producent pamięci, firma Micron, bada DNA jako technologię post-krzemową. Firma finansuje prace naukowców z Kościoła i University of Idaho nad stworzeniem bezbłędnego systemu przechowywania danych w DNA. „Rosnące koszty pamięci masowej będą napędzać alternatywne rozwiązania, a przechowywanie DNA jest jednym z najbardziej obiecujących rozwiązań” - powiedział Gurtei Sandu, dyrektor ds. Rozwoju zaawansowanych technologii w firmie Micron.
Naukowcy wciąż szukają sposobów na zmniejszenie liczby błędów w kodowaniu i dekodowaniu danych. Ale większość technologii jest już na miejscu. Co więc powstrzymuje nas przed przejściem od hurtowni danych wielkości pudełka po butach do szklanych kapsułek DNA? Koszt. „Proces nagrywania jest milion razy droższy” - mówi Seelig.
Oto dlaczego: Tworzenie DNA polega na sznurowaniu nanocząsteczek jedna po drugiej z dużą precyzją - nie jest to łatwe zadanie. Chociaż koszt sekwencjonowania spadł z powodu szybko rosnącego zapotrzebowania na tę usługę, synteza DNA nie miała podobnego motoru na rynku. Milenkovic zapłacił około 150 dolarów za stworzenie ciągu 1000 zsyntetyzowanych nukleotydów. Sekwencjonowanie miliona nukleotydów kosztuje około centa.
Zainteresowanie przechowywaniem danych ze strony Microsoft i Micron może być tylko impulsem potrzebnym do rozpoczęcia cięcia kosztów, mówi Seelig. Sprytna inżynieria i nowe technologie, takie jak mikrofluidy i sekwencjonowanie DNA w nanoporach, które pomagają zmniejszyć i przyspieszyć proces, również pomogą w postępie. Sekwencjonowanie kilkuset par zasad zajmuje teraz wiele godzin - i dni, aby je zsyntetyzować - przy użyciu wielu urządzeń. Chciałbym móc to wszystko zrobić w małym pudełku, w przeciwnym razie straciłbym przewagę związaną z gęstością przechowywania.
Jeśli wszystko pójdzie dobrze, Strauss przewiduje firmy oferujące usługi konserwacji archiwalnego DNA na następną dekadę. „Możesz otworzyć przeglądarkę i przesłać pliki do ich witryny lub odzyskać swoje bajty, tak jak w przypadku chmury” - mówi. Lub możesz kupić dysk DNA zamiast dysku twardego.
ILYA KHEL