Viime vuosien aikana tutkijat ovat dekoodanneet 700 000-vuotiaiden mammuttien ja hevosten genomit fossiileista uutettujen DNA-fragmenttien avulla. DNA kestää ehdottomasti paljon kauemmin kuin organismit, joille sillä on geneettisiä koodeja. Tietojenkäsittelytieteen tutkijat ja insinöörit ovat pitkään unelmoineet hyödyntää DNA: n vähäisyyttä ja joustavuutta digitaalisen datan tallentamiseen. He haluavat koodata kaikki nollat ja ne molekyyleiksi A, C, G ja T, jotka muodostavat DNA-polymeerin kierreportaat - ja tämän vuosikymmenen kehitys DNA-synteesissä ja sekvensoinnissa on johtanut merkittävään läpimurtoon. Viimeaikaiset kokeet ovat osoittaneet, että jonain päivänä voimme koodata kaiken maailman digitaalisen tiedon muutamaan litraan DNA: ta - ja lukea sen uudelleen tuhansia vuosia myöhemmin.
Microsoftin ja muiden teknologiayritysten kiinnostus lisää jännitteitä tällä alalla. Viime kuussa Microsoft Research kertoi maksavansa synteettisen biologian aloittavalle yritykselle Twist Bioscience luoda 10 miljoonaa DNA-säiettä, jotka Microsoftin tietojenkäsittelijät ovat suunnitelleet tietojen tallentamiseksi. Johtava muistinvalmistaja Micron Technology rahoittaa myös DNA-varastotutkimusta sen selvittämiseksi, voiko nukleiinihappojärjestelmä ylittää sähköisen muistin rajat. Tämä rahan ja korkojen tulo voi vähitellen vähentää kohtuuttomia kustannuksia ja tehdä tietojen tallentamisesta DNA: han mahdollisuuden kymmenen vuoden kuluessa, tutkijoiden mukaan.
Ihmiset tuottavat yli 16 biljoonaa gigatavua digitaalista dataa vuoteen 2017 mennessä, ja suurin osa siitä on arkistoitava. Oikeudelliset, taloudelliset ja lääketieteelliset tiedot sekä tietysti multimediatiedostot. Nykyään tietoja varastoidaan kiintolevyille, optisille levyille energiaintensiivisissä varastokokoisissa datakeskuksissa. Parhaimmillaan näitä tietoja säilytetään kolmekymmentä vuotta, pahimmillaan - useita. Lisäksi Microsoft Researchin tietokonearkkitehti Karin Straussin mukaan "tuotamme paljon enemmän tietoa kuin varastointiteollisuus pystyy, ja ennusteet osoittavat, että kuilu kasvaa."
Lisätään nyt DNA tähän kaikkeen. Se voi elää vuosisatojen ajan, jos sitä pidetään viileässä ja kuivassa paikassa. Teoriassa se voi pakata miljardeja gigatavuja tietoja sokerikuutioon. Nauha, tihein nykyisin saatavilla oleva tallennusväline, mahtuu 10 gigatavua samaan tilaan. "DNA on uskomattoman tiheä, kestävä ja haihtumaton tallennusväline", kertoo Olgica Milenkovic, Illinoisin yliopiston sähkö- ja tietotekniikan professori Urbana-Champaignista.
Tämä johtuu siitä, että jokainen neljästä rakennemolekyylistä - adeniini (A), sytosiini ©, guaniini (G) ja tymiini (T) - vie kuutiometriä nanometriä. Käyttämällä koodausjärjestelmää - esimerkiksi, jossa A edustaa bittiä "00", C edustaa "01" ja niin edelleen - tutkijat voivat ottaa yhdet ja nollarivit, jotka muodostavat digitaaliset tiedostot, ja luoda DNA-juosteen, joka sisältää tilannekuvan tai videon. Tietenkin todellinen koodaustekniikka on paljon monimutkaisempi kuin kirjoitimme sinulle täällä. Suunnittelijan DNA-juosteen synteesi on tietojen kirjoittamisen prosessi. Tutkijat voivat sitten lukea ne sekvensoimalla ketjut.
Harvardin geenitieteilijä George Church perusti tämän tutkimusalueen vuonna 2012 koodaamalla 70 miljardia kopiota kirjasta - miljoona gigabittiä - kuutiometrissä DNA: ta. Vuotta myöhemmin Euroopan bioinformatiikan instituutin tutkijat osoittivat voivansa lukea ilman yhtä virhettä 739 kilotavua DNA: han suljettua dataa.
Viime vuonna useat tutkijaryhmät esittivät täysin toimivia järjestelmiä. Elokuussa ETH Zürichin tutkijat kapseloivat synteettisen DNA: n lasiin, joutuivat olosuhteisiin, jotka simuloivat 2000 vuoden vanhentumista, ja palauttivat koodatut tiedot kokonaan. Samanaikaisesti Milenkovic ja hänen kollegansa kertoivat, että kuusi amerikkalaista yliopistoa oli tallentanut Wikipedia-sivut DNA: han ja - toimittamalla jaksot erityisillä "osoitteilla" - lukenut ja muokannut valikoivasti kirjoitetun tekstin osia. Datan satunnainen käyttö on kriittistä, jotta vältetään "koko kirjan sekvensointi vain yhden kappaleen lukemiseksi", Milenkovich sanoo.
Huhtikuussa Strauss ja tutkijat Jord Seelig ja Luis Tsese Washingtonin yliopistosta kertoivat pystyvänsä tallentamaan kolme kuvatiedostoa, kukin useita kymmeniä kilotavuja, 40 000 DNA-säikeeseen käyttäen omaa koodausmenetelmäänsä ja lukemaan ne sitten erikseen, ei tekee virheitä. He esittivät työnsä huhtikuussa Association for Electronic Computing -konferenssissa. 10 miljoonan merkkijonon avulla, jotka Microsoft ostaa Twist Biosciencelta, tutkijat aikovat todistaa, että DNA-tietoja voidaan tallentaa paljon suuremmassa mittakaavassa. "Tavoitteenamme on osoittaa lopullinen järjestelmä, jossa koodaamme DNA-tiedostoja, syntetisoimme molekyylejä, säilytämme niitä pitkään ja palautamme ne sitten sekvensoimalla DNA: n", Strauss sanoo. "Aloitamme rytmeistä ja palataan rytmiin."
Mainosvideo:
Muistivalmistaja Micron tutkii DNA: ta piin jälkeisenä tekniikkana. Yritys rahoittaa Idahon kirkon ja yliopiston tutkijoiden työtä virheettömän tallennusjärjestelmän luomiseksi DNA: han. "Tallennuskustannusten nousu johtaa vaihtoehtoisiin ratkaisuihin, ja DNA-varastointi on yksi lupaavimmista ratkaisuista", sanoi Micronin kehittyneen teknologian kehityksen johtaja Gurtei Sandu.
Tutkijat etsivät edelleen tapoja vähentää virheitä tietojen koodauksessa ja dekoodauksessa. Mutta suurin osa tekniikasta on jo paikallaan. Joten mikä estää meitä siirtymästä kenkälaatikon kokoisista tietovarastoista DNA-lasikapseleihin? Kustannus. "Tallennusprosessi on miljoona kertaa kalliimpaa", Seelig sanoo.
Tästä syystä: DNA: n tekeminen merkitsee nanokokoisten molekyylien merkitsemistä yksi kerrallaan erittäin tarkasti - ei helppo tehtävä. Ja vaikka sekvensointikustannukset laskivatkin tämän palvelun nopeasti kasvavan kysynnän takia, DNA-synteesillä ei ollut vastaavaa ohjainta markkinoilla. Milenkovic maksoi noin 150 dollaria 1000 syntetisoidun nukleotidin merkkijonon luomiseksi. Miljoonan nukleotidin sekvensointi maksaa noin sentin.
Kiinnostus Microsoftin ja Micronin tietojen tallentamiseen voi olla vain se vauhti, joka tarvitaan kustannusten leikkaamiseen, Seelig sanoo. Älykäs tekniikka ja uudet tekniikat, kuten mikrofluidiikka ja nanohuokosisten DNA-sekvensoinnit, jotka auttavat vähentämään ja nopeuttamaan prosessia, auttavat myös etenemään. Useiden satojen emäsparien sekvensointi vie tunteja - ja päiviä niiden syntetisoimiseksi - joukolla laitteita. Toivon, että voisin tehdä kaiken tämän pienessä laatikossa, muuten varastotiheyden etu menetettäisiin.
Jos kaikki menee hyvin, Strauss kuvittelee yrityksiä, jotka tarjoavat DNA-arkistointipalveluja seuraavalle vuosikymmenelle. "Voit avata selaimen ja ladata tiedostoja heidän sivustolleen tai ottaa tavut takaisin samalla tavalla kuin pilvessä", hän sanoo. Tai voit ostaa DNA-levyn kiintolevyn sijaan.
ILYA KHEL