V zadnjih nekaj letih so znanstveniki dekodirali 700.000 let stare genome mamutov in konj z uporabo fragmentov DNK, pridobljenih iz fosilov. DNK zagotovo traja veliko dlje kot organizmi, za katere nosi genetske kode. Računalniški znanstveniki in inženirji že dolgo sanjajo, da bi izkoristili majhnost in odpornost DNK za shranjevanje digitalnih podatkov. Vse te ničle in enote želijo kodirati v molekule A, C, G in T, ki tvorijo spiralno stopnišče polimerov DNA - in napredek v tem desetletju pri sintezi in zaporedju DNA je privedel do velikega preboja. Nedavni poskusi so pokazali, da bomo nekega dne lahko vse svetovne digitalne informacije kodirali v nekaj litrov DNK - in jih spet prebrali tisoče let kasneje.
Zanimanje Microsofta in drugih tehnoloških podjetij dviguje napetosti na tem področju. Prejšnji mesec je Microsoft Research dejal, da bo zagon sintetične biologije Twist Bioscience plačal za ustvarjanje 10 milijonov verig DNA, ki so jih oblikovali Microsoftovi računalniški znanstveniki za shranjevanje podatkov. Vodilni proizvajalec spomina Micron Technology financira tudi raziskave shranjevanja DNK, da bi ugotovil, ali lahko sistem nukleinske kisline premakne meje elektronskega spomina. Ta pritok denarja in obresti bi lahko postopoma zmanjšal pretirane stroške in omogočil shranjevanje podatkov v DNK v desetih letih, pravijo raziskovalci.
Ljudje bomo do leta 2017 ustvarili več kot 16 bilijonov gigabajtov digitalnih podatkov, večino pa bo treba arhivirati. Pravni, finančni in zdravstveni podatki, pa tudi večpredstavnostne datoteke. Danes so podatki shranjeni na trdih diskih, optičnih diskih v energetsko intenzivnih podatkovnih centrih velikosti skladišča. V najboljšem primeru se ti podatki hranijo trideset let, v najslabšem primeru pa več. Poleg tega je po besedah računalniške arhitektke Microsoft Research Karin Strauss "proizvedli veliko več podatkov, kot jih lahko naredi skladiščna industrija, in napovedi kažejo, da se bo vrzel povečala."
Zdaj pa vsemu temu dodamo DNK. Živi stoletja, če ga hranimo v hladnem in suhem prostoru. Teoretično lahko v kocko sladkorja zapakira milijarde gigabajtov podatkov. Tape, najgostejši medij za shranjevanje, ki je danes na voljo, lahko sprejme 10 gigabajtov v isti količini prostora. "DNK je neverjetno gost, trpežen in nehlapen medij za shranjevanje," pravi Olgica Milenković, profesorica elektrotehnike in računalništva na Univerzi v Illinoisu pri Urbana-Champaign.
To je zato, ker vsaka od štirih gradbenih molekul - adenin (A), citozin ©, gvanin (G) in timin (T) - zaseda kubični nanometer. Z uporabo kodirnega sistema - recimo, v katerem A predstavlja bit "00", C predstavlja "01" in tako naprej - lahko znanstveniki vzamejo vrstice enot in ničel, ki sestavljajo digitalne podatkovne datoteke, in ustvarijo verigo DNA, ki vsebuje posnetek ali video. Seveda je resnična tehnika kodiranja veliko bolj zapletena, kot smo vam pisali tukaj. Sinteza oblikovalske verige DNA je postopek zapisovanja podatkov. Znanstveniki jih lahko nato preberejo z zaporedjem verig.
Harvardski genetik George Church je to področje raziskav ustanovil leta 2012, tako da je v kubični milimeter DNK kodiral 70 milijard izvodov knjige - milijon gigabitov. Leto kasneje so znanstveniki z evropskega inštituta za bioinformatiko pokazali, da lahko brez ene napake preberejo 739 kilobajtov podatkov, zaprtih v DNK.
Lani je več skupin znanstvenikov pokazalo popolnoma delujoče sisteme. Avgusta so znanstveniki iz ETH Zürich kapsulirali sintetično DNA v steklo, pod pogoji, ki simulirajo iztek 2000 let, in popolnoma obnovili kodirane podatke. Vzporedno s tem so Milenkovičeva in njeni kolegi poročali, da je šest ameriških univerz univerze v Wikipediji shranilo v DNK in - tako, da so sekvencam dodale posebne "naslove" - selektivno bralo in urejalo dele napisanega besedila. Naključni dostop do podatkov je zelo pomemben, da se izognemo "zaporedju celotne knjige, da preberemo samo en odstavek," pravi Milenkovich.
Aprila sta Strauss in znanstvenika Jord Seelig in Luis Tsese z univerze v Washingtonu poročala, da sta lahko v svojo lastno kodirno shemo v 40.000 verig DNA napisala tri slikovne datoteke, vsaka nekaj deset kilobajtov, in jih nato prebrala posamezno delati napake. Svoje delo so predstavili aprila na konferenci Združenja za elektronsko računalništvo. Z 10 milijoni nizov, ki jih Microsoft kupi pri Twist Bioscience, znanstveniki nameravajo dokazati, da je mogoče podatke o DNK shraniti v veliko večjem obsegu. "Naš cilj je prikazati končni sistem, v katerem kodiramo datoteke DNK, sintetiziramo molekule, jih dolgo hranimo in nato obnovimo z zaporedjem DNK," pravi Strauss. "Začnemo s takti in se vrnemo k ritmom."
Promocijski video:
Proizvajalec spomina Micron preučuje DNA kot post-silicijevo tehnologijo. Podjetje financira delo znanstvenikov Church in University of Idaho, da bi ustvarili sistem za shranjevanje v DNK brez napak. "Naraščajoči stroški shranjevanja bodo vodili do alternativnih rešitev, shranjevanje DNK pa je ena najbolj obetavnih rešitev," je dejal Gurtei Sandu, direktor za razvoj napredne tehnologije pri Micronu.
Znanstveniki še vedno iščejo načine, kako zmanjšati število napak pri kodiranju in dekodiranju podatkov. Toda večina tehnologije je že na mestu. Kaj nas torej ovira pri prehodu iz podatkovnih skladišč v velikosti škatle v steklene kapsule DNA? Stroški. "Postopek snemanja je milijonkrat dražji," pravi Seelig.
Evo zakaj: Izdelava DNK vključuje nizanje nanodelnih molekul eno za drugo z visoko natančnostjo - to ni lahka naloga. Čeprav so se stroški zaporedja zaradi hitro rastočega povpraševanja po tej storitvi znižali, sinteza DNA ni imela podobnega gonilnika na trgu. Milenkovič je plačal približno 150 dolarjev, da je ustvaril niz od 1.000 sintetiziranih nukleotidov. Zaporedje milijona nukleotidov stane približno cent.
Zanimanje za shranjevanje podatkov s strani Microsofta in Microna je morda le zagon, potreben za zmanjšanje stroškov, pravi Seelig. Pametno inženirstvo in nove tehnologije, kot so mikrofluidika in zaporedje DNA nanopore, ki pomagajo zmanjšati in pospešiti postopek, bodo pomagale tudi napredovati. Zdaj traja nekaj ur, da zaporedje nekaj sto baznih parov - in dni, da jih sintetizirate - z uporabo kopice opreme. Želim si, da bi lahko vse to naredil v majhni škatli, sicer bi izgubili prednost gostote shranjevanja.
Če bo šlo vse po sreči, Strauss predvideva podjetja, ki bodo v naslednjem desetletju ponujala storitve arhiviranja DNK. "Lahko odprete brskalnik in naložite datoteke na njihovo spletno mesto ali pa svoje bajte vzamete nazaj, kot bi to storili z oblakom," pravi. Lahko pa namesto trdega diska kupite DNA disk.
ILYA KHEL