Läbimurdeline uuring astub olulise sammu edasi püüdlustes arendada a DNA-põhine digitaalsete andmete salvestussüsteem.
digitaalne andmed kasvab tänapäeval eksponentsiaalse kiirusega, kuna sõltume vidinatest, ja see nõuab tugevat pikaajalist ladustamist. Andmete salvestamine muutub aeglaselt keeruliseks, sest praegune digitaaltehnoloogia ei suuda lahendust pakkuda. Näiteks on viimase kahe aasta jooksul loodud rohkem digitaalseid andmeid kui kogu ajaloo jooksul arvutid, tegelikult luuakse maailmas iga päev 2.5 kvintiljoni baiti {1 kvintiljoni baiti = 2,500,000 2,500,000,000 XNUMX terabaiti (TB) = XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX gigabaiti (GB)} andmeid. See hõlmab andmeid suhtlusvõrgustike saitide, Interneti-panga tehingute, ettevõtete ja organisatsioonide kohta, andmeid satelliitidelt, seire-, uurimis-, arendustegevuse jne kohta. Need andmed on tohutud ja struktureerimata. Seetõttu on praegu suur väljakutse tegeleda andmete tohutute salvestusnõuete ja nende eksponentsiaalse kasvuga, eriti organisatsioonide ja ettevõtete jaoks, kes vajavad tugevat pikaajalist salvestamist.
Praegu on saadaval järgmised valikud: kõvaketas, optilised kettad (CD-d), mälupulgad, välkmäluseadmed ja täiustatud lindiseadmed või optilised BluRay-kettad, mis salvestavad ligikaudu kuni 10 terabaiti (TB) andmeid. Kuigi sellistel salvestusseadmetel on tavaliselt palju puudusi. Esiteks on neil madal kuni keskmine säilivusaeg ning neid tuleb hoida ideaalsetes temperatuuri- ja niiskustingimustes, et need kestaksid mitu aastakümmet ja vajavad seega spetsiaalselt projekteeritud füüsilisi hoiuruume. Peaaegu kõik need tarbivad palju energiat, on mahukad ja ebapraktilised ning võivad lihtsal kukkumisel kahjustuda. Mõned neist on väga kallid, neid vaevavad sageli andmevead ja seetõttu pole need piisavalt vastupidavad. Organisatsiooni poolt üldiselt aktsepteeritud võimalust nimetatakse pilvandmetöötluseks – korraldus, kus ettevõte palkab põhimõtteliselt kõigi IT- ja andmesalvestusnõuete täitmiseks välisserveri, mida nimetatakse pilveks. Pilvandmetöötluse üks peamisi puudusi on turva- ja privaatsusprobleemid ning haavatavus häkkerite rünnakute suhtes. On ka muid probleeme, nagu kaasnevad suured kulud, emaorganisatsiooni piiratud kontroll ja platvormisõltuvus. Pilvandmetöötlust peetakse endiselt heaks alternatiiviks pikaajaliseks salvestamiseks. Siiski näib, et kogu maailmas genereeritav digitaalne teave ületab kindlasti meie võime seda salvestada ja selle andmetulvaga toimetulemiseks on vaja veelgi tugevamaid lahendusi, pakkudes samal ajal mastaapsust, et võtta arvesse ka tulevasi salvestusvajadusi.
Kas DNA võib aidata arvuti salvestamisel?
Meie DNA (desoksüribonukleiinhapet) peetakse põnevaks alternatiivseks digitaalse andmesalvestusmeediumiks. DNA on peaaegu kõigis elusorganismides esinev isepaljunev materjal ja see moodustab meie geneetilise teabe. Kunstlik või sünteetiline DNA on vastupidav materjal, mida saab valmistada kaubanduslikult saadavate oligonukleotiidide sünteesimasinatega. DNA peamine eelis on selle pikaealisus kui a DNA kestab 1000 korda kauem kui räni (silicon-chip – ehitamiseks kasutatav materjal arvutid). Hämmastavalt vaid üks kuupmillimeeter DNA mahutab kvintiljoni baite andmeid! DNA on ka ülikompaktne materjal, mis ei lagune kunagi ning seda saab säilitada jahedas ja kuivas kohas sadu sajandeid. Mõte kasutada DNA salvestamiseks on olnud juba pikka aega, kuni 1994. aastani. Peamine põhjus on sarnane teabe salvestamise viis arvutisse ja meie arvutisse. DNA – kuna mõlemad salvestavad teabeplaanid. Arvuti salvestab kõik andmed numbritega 0 ja 1 ning DNA salvestab kõik elusorganismi andmed, kasutades nelja alust – tümiini (T), guaniini (G), adeniini (A) ja tsütosiini (C). Seetõttu võiks DNA-d nimetada tavaliseks salvestusseadmeks, nagu arvutitki, kui neid aluseid saab esitada 0-dena (alused A ja C) ja 1-dena (alused T ja G). DNA on sitke ja kauakestev. Lihtsaim peegeldus on see, et meie geneetiline kood – kogu meie DNA-sse salvestatud teabe plaan – edastatakse tõhusalt ja korduvalt ühelt põlvkonnalt teisele. Kõik tarkvara- ja riistvarahiiud soovivad kasutada sünteetilist DNA-d suurte koguste salvestamiseks, et saavutada oma eesmärki lahendada andmete pikaajaline arhiveerimine. Idee on esmalt teisendada arvutikoodid 0-d ja 1-d DNA-koodiks (A, C, T, G), seejärel kasutatakse teisendatud DNA-koodi sünteetiliste DNA ahelate tootmiseks, mida saab seejärel külmhoonesse panna. Vajadusel saab DNA ahelaid külmhoonest eemaldada ja nende teave DNA sekveneerimismasina abil dekodeerida ning DNA järjestus tõlgitakse lõpuks tagasi binaarsesse arvutivormingusse, mis koosneb 1-dest ja 0-dest, et seda arvutis lugeda.
Seda on näidatud1 et vaid paar grammi DNA-d suudab salvestada kvintiljoni baiti andmeid ja hoida neid puutumatuna kuni 2000 aastat. See lihtne arusaam on aga seisnud silmitsi teatud väljakutsetega. Esiteks on andmete DNA-sse kirjutamine ehk 0-de ja 1-de tegelik teisendamine DNA-alusteks (A, T, C, G) üsna kallis ja ka valusalt aeglane. Teiseks, kui andmed on DNA-le "kirjutatud", on failide leidmine ja toomine keeruline ning nõuab tehnikat, mida nimetatakse DNA sekveneerimine – aluste täpse järjekorra määramise protsess a-s DNA molekul - pärast mida dekodeeritakse andmed tagasi 0-deks ja 1-deks.
Hiljutine uuring2 Microsoft Researchi ja Washingtoni ülikooli teadlased on saavutanud "juhusliku juurdepääsu" DNA salvestamisele. "Juhusliku juurdepääsu" aspekt on väga oluline, kuna see tähendab, et teavet saab üle kanda kohta või kohas (üldiselt mälus), kus igale asukohale, olenemata sellest, kus järjestuses, on juurdepääs otse. Seda juhusliku juurdepääsu tehnikat kasutades saab faile DNA-mäluseadmest hankida selektiivsel viisil, võrreldes varasemaga, kui selline otsimine nõudis kogu DNA andmestiku järjestamist ja dekodeerimist, et leida ja eraldada mõned soovitud failid. Juhusliku juurdepääsu tähtsus suureneb veelgi, kui andmete hulk suureneb, ja muutub tohutuks, kuna see vähendab järjestamise hulka, mida tuleb teha. See on esimene kord, kui juhuslikku juurdepääsu näidatakse nii suures mahus. Teadlased on välja töötanud ka algoritmi andmete tõhusamaks dekodeerimiseks ja taastamiseks, mis on andmevigade suhtes suurem, muutes järjestusprotseduuri ka kiiremaks. Selles uuringus kodeeriti enam kui 13 miljonit sünteetilist DNA oligonukleotiidi, mis olid 200 MB suurused andmed, mis koosnesid 35 failist (sisaldavad videot, heli, pilte ja teksti), mille suurus oli vahemikus 29 KB kuni 44 MB. Need failid leiti ükshaaval ilma vigadeta. Samuti on autorid välja töötanud uued algoritmid, mis on DNA järjestuste kirjutamisel ja lugemisel tugevamad ja veakindlamad. See uuring avaldati aastal Looduse biotehnoloogia suur edusamm, mis näitab elujõulist suuremahulist DNA säilitamise ja otsimise süsteemi.
DNA salvestussüsteem näeb välja väga ahvatlev, kuna sellel on suur andmetihedus, kõrge stabiilsus ja seda on lihtne salvestada, kuid ilmselgelt on sellel palju väljakutseid, enne kui seda saab universaalselt kasutusele võtta. Vähesed tegurid on aja- ja töömahukas DNA dekodeerimine (sekveneerimine) ja ka DNA süntees. DNA. Tehnika nõuab suuremat täpsust ja laiemat katvust. Kuigi selles valdkonnas on tehtud edusamme, on täpne vorming, milles andmeid pikaajaliselt salvestatakse DNA alles areneb. Microsoft on lubanud parandada sünteetilise DNA tootmist ja tegeleda väljakutsetega, et kujundada täielikult töötav DNA salvestussüsteem 2020. aastaks.
***
{Saate lugeda esialgset uurimistööd, klõpsates alltoodud allika(te) loendis DOI lingil}
Allikas (d)
1. Erlich Y ja Zielinski D 2017. DNA Fountain võimaldab tugevat ja tõhusat salvestusarhitektuuri. Teadus. 355(6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L et al. 2018. Juhujuurdepääs suuremahulises DNA andmehoidlas. Looduse biotehnoloogia. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
