Pēdējo vairāku gadu laikā zinātnieki ir dekodējuši 700 000 gadus vecu mamutu un zirgu genomus, izmantojot no fosilijām iegūtus DNS fragmentus. DNS noteikti ilgst daudz ilgāk nekā organismi, kuriem tas nes ģenētiskos kodus. Datorzinātnieki un inženieri jau sen ir sapņojuši par DNS deminutivitātes un elastības izmantošanu digitālo datu glabāšanai. Viņi vēlas kodēt visas šīs nulles un nullītes A, C, G un T molekulās, kas veido DNS polimēra spirālveida kāpnes - un šīs desmitgades sasniegumi DNS sintēzē un sekvencēšanā ir noveduši pie ievērojama izrāviena. Nesenie eksperimenti ir parādījuši, ka kādu dienu mēs varēsim kodēt visu pasaules digitālo informāciju dažos litros DNS - un pēc tūkstošiem gadu to atkal lasīt.
Microsoft un citu tehnoloģiju uzņēmumu interese rada spriedzi šajā jomā. Pagājušajā mēnesī Microsoft Research paziņoja, ka sintētiskās bioloģijas jaunizveidotajam uzņēmumam Twist Bioscience būs jāmaksā par 10 miljonu DNS virkņu izveidi, ko izstrādājuši Microsoft datorzinātnieki datu glabāšanai. Vadošais atmiņu veidotājs Micron Technology arī finansē DNS uzglabāšanas pētījumus, lai noteiktu, vai nukleīnskābes sistēma var pārkāpt elektroniskās atmiņas robežas. Šis naudas un procentu pieplūdums varētu pakāpeniski samazināt pārmērīgās izmaksas un desmit gadu laikā padarīt iespējamu datu glabāšanu DNS, norāda pētnieki.
Cilvēki līdz 2017. gadam ģenerēs vairāk nekā 16 triljonus gigabaitu digitālo datu, un lielākā daļa no tiem būs jāarhivē. Juridiskie, finanšu un medicīniskie dati, kā arī, protams, multivides faili. Mūsdienās dati tiek glabāti cietajos diskos, optiskajos diskos energoietilpīgos datu centros, kuru lielums ir noliktava. Labākajā gadījumā šie dati tiek glabāti trīsdesmit gadus, sliktākajā gadījumā - vairākus. Turklāt, pēc Microsoft Research datoru arhitekta Karina Štrausa teiktā, "mēs ražojam daudz vairāk datu, nekā to var izdarīt uzglabāšanas nozare, un prognozes liecina, ka plaisa palielināsies".
Tagad tam visam pievienosim DNS. Tas dzīvo gadsimtiem ilgi, ja to tur vēsā, sausā vietā. Teorētiski tas var iesaiņot miljardus gigabaitu datu cukura kubā. Tape, kas ir visblīvākā šodien pieejamā datu nesēja ietilpība, tajā pašā telpā var saturēt 10 gigabaitus. "DNS ir neticami blīvs, izturīgs un nepastāvīgs datu nesējs," saka Olgica Milenkoviča, Ilinoisas universitātes Urbana-Champaign elektrotehnikas un datortehnikas profesore.
Tas ir tāpēc, ka katra no četrām celtniecības molekulām - adenīns (A), citozīns ©, guanīns (G) un timīns (T) - aizņem kubikmetru nanometru. Izmantojot kodēšanas sistēmu - teiksim, kurā A apzīmē bitus “00”, C apzīmē “01” un tā tālāk - zinātnieki var ņemt vienu un nulles rindas, kas veido digitālos datu failus, un izveidot DNS virkni, kurā ir momentuzņēmums vai video. Protams, reālā kodēšanas tehnika ir daudz sarežģītāka, nekā mēs jums šeit rakstījām. Dizaina DNS virknes sintēze ir datu rakstīšanas process. Pēc tam zinātnieki tos var izlasīt, secīgi sakārtojot ķēdes.
Hārvardas ģenētiķis Džordžs Čērčs 2012. gadā nodibināja šo pētījumu jomu, kubiskā milimetrā DNS kodējot 70 miljardus grāmatas eksemplāru - vienu miljonu gigabaitu. Gadu vēlāk zinātnieki no Eiropas Bioinformātikas institūta parādīja, ka viņi bez vienas kļūdas var nolasīt 739 kilobaitus datu, kas iekļauti DNS.
Pagājušajā gadā vairākas zinātnieku komandas demonstrēja pilnībā funkcionējošas sistēmas. Augustā Cīrihes ETH zinātnieki iekapsulēja sintētisko DNS stiklā, pakļaujot apstākļiem, kas imitēja 2000 gadu termiņa beigām, un pilnībā atguva kodētos datus. Paralēli Milenkoviča un viņas kolēģi ziņoja, ka sešas Amerikas universitātes ir saglabājušas Vikipēdijas lapas DNS un - nodrošinot secības ar īpašām “adresēm” - selektīvi nolasījušas un rediģējušas rakstītā teksta daļas. Nejauša piekļuve datiem ir ļoti svarīga, lai izvairītos no tā, ka "vajadzētu secīgi ievietot visu grāmatu, lai izlasītu tikai vienu rindkopu", saka Milenkovičs.
Aprīlī Štrauss un zinātnieki Džordžs Seeligs un Luiss Tese no Vašingtonas universitātes ziņoja, ka viņi var ierakstīt trīs attēlu failus, katrs vairākus desmitus kilobaitu, 40 000 DNS virknēs, izmantojot savu kodēšanas shēmu, un pēc tam tos atsevišķi lasīt, nevis kļūdīties. Viņi aprīlī prezentēja savu darbu Elektroniskās skaitļošanas asociācijas konferencē. Ar 10 miljoniem virkņu, ko Microsoft iegādājas no Twist Bioscience, zinātnieki plāno pierādīt, ka DNS datus var uzglabāt daudz plašākā mērogā. "Mūsu mērķis ir parādīt galīgo sistēmu, kurā mēs kodējam DNS failus, sintezējam molekulas, ilgstoši uzglabājam un pēc tam atjaunojam, sekvencējot DNS," saka Štrauss. "Mēs sākam ar ritmiem un atgriežamies pie ritmiem."
Reklāmas video:
Atmiņas ražotājs Micron pēta DNS kā post silīcija tehnoloģiju. Uzņēmums finansē Baznīcas un Aidaho universitātes zinātnieku darbu, lai DNS bez kļūdām izveidotu glabāšanas sistēmu. "Pieaugošās uzglabāšanas izmaksas veicinās alternatīvus risinājumus, un DNS uzglabāšana ir viens no daudzsološākajiem risinājumiem," sacīja Micron progresīvo tehnoloģiju attīstības direktors Gurtei Sandu.
Zinātnieki joprojām meklē veidus, kā samazināt datu kodēšanas un dekodēšanas kļūdu skaitu. Bet lielākā daļa tehnoloģiju jau ir ieviesta. Tātad, kas mums traucē pāriet no kurpju izmēra datu noliktavām uz DNS stikla kapsulām? Izmaksas. "Ierakstīšanas process ir miljons reižu dārgāks," saka Seels.
Šī iemesla dēļ: DNS izgatavošana ir saistīta ar nanosizētu molekulu virpošanu pa vienai ar lielu precizitāti - tas nav viegls uzdevums. Lai gan secības izmaksas samazinājās strauji augošā pieprasījuma dēļ pēc šī pakalpojuma, DNS sintēzei tirgū nebija līdzīga draivera. Milenkovičs samaksāja apmēram 150 USD, lai izveidotu 1000 sintezētu nukleotīdu virkni. Miljona nukleotīdu secība maksā apmēram centu.
Interese par Microsoft un Micron datu glabāšanu var būt tikai nepieciešamais impulss, lai sāktu samazināt izmaksas, saka Seeligs. Gudra tehnoloģija un jaunas tehnoloģijas, piemēram, mikrofluidika un nanoporu DNS sekvencēšana, kas palīdz samazināt un paātrināt procesu, arī palīdzēs attīstīties. Tagad, lai sakārtotu vairākus simtus bāzes pāru - un dienas to sintezēšanai -, izmantojot virkni aprīkojuma, nepieciešamas stundas. Es vēlos, lai es to visu varētu izdarīt nelielā kastē, pretējā gadījumā tiktu zaudēta uzglabāšanas blīvuma priekšrocība.
Ja viss izdosies, Štrauss paredz uzņēmumus, kas nākamajos desmit gados piedāvā DNS arhīva saglabāšanas pakalpojumus. "Jūs varat atvērt pārlūkprogrammu un augšupielādēt failus viņu vietnē vai arī paņemt savus baitus atpakaļ tāpat kā ar mākoni," viņa saka. Vai arī cietā diska vietā jūs varat iegādāties DNS disku.
ILYA KHEL