Revolucionārs pētījums sper nozīmīgu soli uz priekšu centienos izstrādāt a DNS- balstīta digitālo datu uzglabāšanas sistēma.
Digitālais dati šodien pieaug eksponenciāli, jo esam atkarīgi no sīkrīkiem, un tam ir nepieciešama spēcīga ilgtermiņa uzglabāšana. Datu glabāšana pamazām kļūst sarežģīta, jo pašreizējās digitālās tehnoloģijas nespēj nodrošināt risinājumu. Piemērs ir tāds, ka pēdējo divu gadu laikā ir izveidots vairāk digitālo datu nekā visā vēsturē datori, patiesībā katru dienu pasaulē tiek radīti 2.5 kvintiljoni baiti {1 kvintiljons baits = 2,500,000 2,500,000,000 XNUMX terabaiti (TB) = XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX gigabaiti (GB)} datu. Tas ietver datus par sociālo tīklu vietnēm, tiešsaistes banku darījumiem, uzņēmumu un organizāciju ierakstus, datus no satelītiem, novērošanu, pētniecību, attīstību utt. Šie dati ir milzīgi un nestrukturēti. Tāpēc tagad ir liels izaicinājums risināt milzīgas datu uzglabāšanas prasības un to eksponenciālo pieaugumu, jo īpaši organizācijām un korporācijām, kurām nepieciešama spēcīga ilgtermiņa glabāšana.
Pašlaik pieejamās opcijas ir cietais disks, optiskie diski (CD), atmiņas kartes, zibatmiņas diski un uzlaboti lentes diskdziņi vai optiskie BluRay diski, kas glabā aptuveni līdz 10 terabaitiem (TB) datu. Lai gan šādas atmiņas ierīces parasti tiek izmantotas, tām ir daudz trūkumu. Pirmkārt, tiem ir zems līdz vidējs glabāšanas laiks, un tie ir jāuzglabā ideālos temperatūras un mitruma apstākļos, lai tie varētu kalpot daudzus gadu desmitus un tādējādi tiem būtu nepieciešamas īpaši izveidotas fiziskas uzglabāšanas vietas. Gandrīz visi no tiem patērē daudz enerģijas, ir apjomīgi un nepraktiski, un tos var sabojāt vienkāršā kritienā. Daži no tiem ir ļoti dārgi, tos bieži nomoka datu kļūdas, un tāpēc tie nav pietiekami izturīgi. Opciju, ko organizācija ir akceptējusi vispārēji, sauc par mākoņdatošanu — vienošanās, kurā uzņēmums pamatā nolīgst "ārēju" serveri visu IT un datu uzglabāšanas prasību izpildei, ko dēvē par "mākoni". Viens no galvenajiem mākoņdatošanas trūkumiem ir drošības un privātuma problēmas un neaizsargātība pret hakeru uzbrukumiem. Ir arī citas problēmas, piemēram, augstās izmaksas, ierobežota mātes organizācijas kontrole un platformas atkarība. Mākoņdatošana joprojām tiek uzskatīta par labu alternatīvu ilgstošai glabāšanai. Tomēr šķiet, ka digitālā informācija, kas tiek ģenerēta visā pasaulē, noteikti apsteidz mūsu spēju to uzglabāt, un ir nepieciešami vēl izturīgāki risinājumi, lai apmierinātu šo datu plūdu, vienlaikus nodrošinot mērogojamību, lai ņemtu vērā arī turpmākās uzglabāšanas vajadzības.
Vai DNS var palīdzēt datora glabāšanā?
mūsu DNS (dezoksiribonukleīnskābe) tiek uzskatīta par aizraujošu alternatīvu datu nesēju digitālai datu glabāšanai. DNS ir pašreplicējošs materiāls, kas atrodas gandrīz visos dzīvajos organismos un ir tas, kas veido mūsu ģenētisko informāciju. Mākslīgs vai sintētisks DNS ir izturīgs materiāls, ko var izgatavot, izmantojot komerciāli pieejamas oligonukleotīdu sintēzes iekārtas. Galvenais DNS ieguvums ir tā ilgmūžība kā a DNS kalpo 1000 reižu ilgāk nekā silīcijs (silīcija mikroshēma – materiāls, ko izmanto celtniecībā datori). Pārsteidzoši, tikai viens kubikmilimetrs DNS var saturēt kvintiljonu baitu datu! DNS ir arī īpaši kompakts materiāls, kas nekad nesabojājas un to var uzglabāt vēsā, sausā vietā simtiem gadsimtu. Ideja par DNS izmantošanu glabāšanai pastāv jau ilgu laiku, tālajā 1994. gadā. Galvenais iemesls ir līdzīgā veidā, kādā informācija tiek glabāta datorā un mūsu DNS – jo abi glabā informācijas rasējumus. Dators visus datus saglabā kā 0 un 1, un DNS saglabā visus dzīvā organisma datus, izmantojot četras bāzes - timīnu (T), guanīnu (G), adenīnu (A) un citozīnu (C). Tāpēc DNS varētu saukt par standarta atmiņas ierīci, tāpat kā datoru, ja šīs bāzes var attēlot kā 0s (bāzes A un C) un 1s (bāzes T un G). DNS ir izturīga un ilgstoša, un vienkāršākais atspoguļojums ir tāds, ka mūsu ģenētiskais kods – visas mūsu DNS glabātās informācijas projekts – tiek efektīvi pārsūtīts no vienas paaudzes uz nākamo atkārtoti. Visi programmatūras un aparatūras giganti ļoti vēlas izmantot sintētisko DNS, lai uzglabātu milzīgus daudzumus, lai sasniegtu savu mērķi — atrisināt datu ilgtermiņa arhivēšanu. Ideja ir vispirms pārveidot datora kodu 0s un 1 par DNS kodu (A, C, T, G), pēc tam pārveidotais DNS kods tiek izmantots sintētisku DNS virkņu ražošanai, kuras pēc tam var ievietot saldētavā. Ja nepieciešams, DNS virknes var izņemt no saldētavas un to informāciju atšifrēt, izmantojot DNS sekvencēšanas iekārtu, un DNS secība beidzot tiek pārtulkota atpakaļ binārajā datora formātā ar 1 un 0, lai tos nolasītu datorā.
Tas ir parādīts1 ka tikai daži grami DNS var uzglabāt kvintiljonus baitu datu un saglabāt tos neskartus līdz pat 2000 gadiem. Tomēr šī vienkāršā izpratne ir saskārusies ar dažām problēmām. Pirmkārt, ir diezgan dārgi un arī sāpīgi lēni ierakstīt datus DNS, ti, faktiskā 0 un 1 konvertēšana uz DNS bāzēm (A, T, C, G). Otrkārt, tiklīdz dati ir “ierakstīti” DNS, ir grūti atrast un izgūt failus, un ir nepieciešama tehnika, ko sauc. DNS sekvencēšana – process, kurā tiek noteikta precīza bāzu secība a ietvaros DNS molekula - pēc tam dati tiek atšifrēti atpakaļ uz 0 un 1.
Nesenā pētījumā2 Zinātnieki no Microsoft Research un Vašingtonas Universitātes ir panākuši "nejaušas piekļuvi" DNS glabāšanai. “Nejaušas piekļuves” aspekts ir ļoti svarīgs, jo tas nozīmē, ka informāciju var pārsūtīt uz vietu (parasti atmiņu) vai no tās, kurā var tieši piekļūt katrai atrašanās vietai neatkarīgi no tā, kur atrodas secība. Izmantojot šo nejaušās piekļuves paņēmienu, failus no DNS krātuves var izgūt selektīvi, salīdzinot ar iepriekš, kad šādai izguvei bija nepieciešams sekvencēt un atšifrēt visu DNS datu kopu, lai atrastu un izvilktu dažus vajadzīgos failus. “Nejaušas piekļuves” nozīme vēl vairāk palielinās, kad datu apjoms palielinās un kļūst milzīgs, jo samazinās veicamo secību apjoms. Pirmo reizi brīvpiekļuve ir parādīta tik plašā mērogā. Pētnieki ir arī izstrādājuši algoritmu efektīvākai datu dekodēšanai un atjaunošanai ar lielāku toleranci pret datu kļūdām, padarot sekvencēšanas procedūru arī ātrāku. Šajā pētījumā tika kodēti vairāk nekā 13 miljoni sintētisko DNS oligonukleotīdu, kas bija 200 MB lieli dati, kas sastāv no 35 failiem (satur video, audio, attēlus un tekstu), kuru lielums bija no 29 KB līdz 44 MB. Šie faili tika izgūti atsevišķi, bez kļūdām. Arī autori ir izstrādājuši jaunus algoritmus, kas ir izturīgāki un izturīgāki pret kļūdām, rakstot un lasot DNS sekvences. Šis pētījums tika publicēts Dabas biotehnoloģija ievērojamā sasniegumā, kas parāda dzīvotspējīgu, liela mēroga DNS uzglabāšanas un izguves sistēmu.
DNS glabāšanas sistēma izskatās ļoti pievilcīga, jo tai ir augsts datu blīvums, augsta stabilitāte un to ir viegli uzglabāt, taču tai acīmredzami ir daudz izaicinājumu, pirms to var vispārēji pieņemt. Daži faktori ir laika un darbietilpīga DNS dekodēšana (sekvencēšana), kā arī DNS sintēze. DNS. Tehnika prasa lielāku precizitāti un plašāku pārklājumu. Lai gan šajā jomā ir panākts progress, precīzs formāts, kādā dati tiks glabāti ilgtermiņā, kā DNS joprojām attīstās. Microsoft ir apņēmusies uzlabot sintētiskās DNS ražošanu un risināt problēmas, lai izstrādātu pilnībā funkcionējošu DNS uzglabāšanas sistēma līdz 2020. gadam.
***
{Jūs varat izlasīt oriģinālo pētījumu, noklikšķinot uz DOI saites, kas norādīta tālāk citēto avotu sarakstā}
Avots (-i)
1. Erlich Y un Zielinski D 2017. DNA Fountain nodrošina stabilu un efektīvu krātuves arhitektūru. Zinātne. 355(6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L et al. 2018. Brīvpiekļuve liela mēroga DNS datu krātuvē. Dabas biotehnoloģija. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
