Probojna studija čini značajan korak naprijed u potrazi za razvojem a DNAsustav za pohranu digitalnih podataka.
Digitalni datum danas raste eksponencijalnom brzinom zbog naše ovisnosti o gadgetima i zahtijeva robusnu dugoročnu pohranu. Pohrana podataka polako postaje izazov jer trenutna digitalna tehnologija ne može ponuditi rješenje. Primjer je da je u posljednje dvije godine stvoreno više digitalnih podataka nego u cijeloj povijesti računala, zapravo 2.5 kvintilijuna bajtova {1 kvintilijun bajtova = 2,500,000 2,500,000,000 XNUMX terabajta (TB) = XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX gigabajta (GB)} podataka stvara se svaki dan u svijetu. To uključuje podatke o društvenim mrežama, transakcije internetskog bankarstva, podatke o tvrtkama i organizacijama, podatke sa satelita, nadzor, istraživanje, razvoj itd. Ovi su podaci ogromni i nestrukturirani. Stoga je sada veliki izazov uhvatiti se u koštac s velikim zahtjevima za pohranu podataka i njihov eksponencijalni rast, posebno za organizacije i korporacije kojima je potrebna robusna dugoročna pohrana.
Trenutačno dostupne opcije su tvrdi disk, optički diskovi (CD-ovi), memorijski stickovi, flash pogoni i napredniji vrpčni pogoni ili optički BluRay diskovi koji pohranjuju otprilike do 10 terabajta (TB) podataka. Iako se takvi uređaji za pohranu često koriste, imaju mnoge nedostatke. Kao prvo, imaju nizak do srednji rok trajanja i potrebno ih je skladištiti u idealnim uvjetima temperature i vlage kako bi mogli trajati desetljećima i stoga zahtijevaju posebno dizajnirane fizičke prostore za skladištenje. Gotovo svi oni troše puno energije, glomazni su i nepraktični te se mogu oštetiti pri jednostavnom padu. Neki od njih su vrlo skupi, često su opterećeni greškama u podacima i stoga nisu dovoljno robusni. Opcija koju je organizacija univerzalno prihvatila zove se računalstvo u oblaku – aranžman u kojem tvrtka u osnovi unajmljuje “vanjski” poslužitelj za rukovanje svim svojim IT zahtjevima i zahtjevima za pohranu podataka, koji se naziva “oblak”. Jedan od primarnih nedostataka računalstva u oblaku su pitanja sigurnosti i privatnosti te ranjivost na napade hakera. Tu su i drugi problemi poput visokih troškova, ograničene kontrole nadređene organizacije i ovisnosti o platformi. Računalstvo u oblaku još uvijek se smatra dobrom alternativom za dugotrajnu pohranu. Međutim, izgleda da digitalne informacije koje se generiraju diljem svijeta zasigurno nadmašuju našu sposobnost pohranjivanja i potrebna su još robusnija rješenja kako bi se zadovoljila ova poplava podataka uz pružanje skalabilnosti kako bi se uzele u obzir i buduće potrebe pohrane.
Može li DNK pomoći u pohranjivanju računala?
Naše DNA (deoksiribonukleinska kiselina) smatra se uzbudljivim alternativnim medijem za digitalnu pohranu podataka. DNA je samoreplicirajući materijal prisutan u gotovo svim živim organizmima i ono što čini naše genetske informacije. Umjetna ili sintetička DNA je izdržljiv materijal koji se može izraditi korištenjem komercijalno dostupnih strojeva za sintezu oligonukleotida. Primarna prednost DNK je njena dugovječnost kao DNA traje 1000 puta duže od silicija (silicij-čip – materijal koji se koristi za gradnju računala). Nevjerojatno, samo jedan kubični milimetar DNA može držati kvintilijun bajtova podataka! DNA je također ultrakompaktan materijal koji se nikada ne razgrađuje i može se čuvati na hladnom i suhom mjestu stotinama stoljeća. Ideja o korištenju DNK za pohranjivanje postoji već dugo, još od 1994. Glavni razlog je sličan način na koji se informacije pohranjuju u računalu iu našem DNA – budući da oba pohranjuju nacrte informacija. Računalo pohranjuje sve podatke kao 0 i 1, a DNK pohranjuje sve podatke živog organizma koristeći četiri baze – timin (T), gvanin (G), adenin (A) i citozin (C). Stoga bi se DNK mogla nazvati standardnim uređajem za pohranu, baš kao i računalo, ako se te baze mogu prikazati kao 0 (baze A i C) i 1 (baze T i G). DNK je čvrsta i dugotrajna, a najjednostavniji odraz je da se naš genetski kod – nacrt svih naših informacija pohranjenih u DNK – učinkovito prenosi s jedne generacije na drugu na ponavljan način. Svi softverski i hardverski divovi zainteresirani su za korištenje sintetičke DNK za pohranu golemih količina kako bi postigli svoj cilj rješavanja dugoročnog arhiviranja podataka. Ideja je prvo pretvoriti računalni kod 0 i 1 u DNK kod (A, C, T, G), pretvoreni DNK kod se zatim koristi za proizvodnju sintetičkih lanaca DNK koji se zatim mogu staviti u hladno skladište. Kad god je potrebno, DNK lanci se mogu ukloniti iz hladnog skladišta i njihove informacije dekodirati pomoću stroja za sekvenciranje DNK i DNK sekvenca se konačno prevodi natrag u binarni računalni format od 1s i 0s da bi se pročitao na računalu.
Pokazano je1 da samo nekoliko grama DNK može pohraniti kvintilion bajtova podataka i održati ih netaknutima do 2000 godina. Međutim, ovo jednostavno razumijevanje naišlo je na neke izazove. Prvo, prilično je skupo i bolno sporo pisati podatke u DNK, tj. stvarnu konverziju 0 i 1 u DNK baze (A, T, C, G). Drugo, nakon što su podaci "zapisani" na DNK, teško je pronaći i dohvatiti datoteke i zahtijeva tehniku tzv. DNA sekvenciranje – proces određivanja preciznog redoslijeda baza unutar a DNA molekula -nakon čega se podaci dekodiraju natrag na 0s i 1s.
Nedavna studija2 znanstvenici iz Microsoft Researcha i Sveučilišta Washington postigli su "slučajni pristup" pohranjivanju DNK. Aspekt “slučajnog pristupa” vrlo je važan jer znači da se informacija može prenijeti na ili s mjesta (općenito memorija) u kojem se može pristupiti svakom mjestu, bez obzira gdje u slijedu. Koristeći ovu tehniku slučajnog pristupa, datoteke se mogu dohvatiti iz DNK pohrane na selektivan način u usporedbi s prethodnim, kada je takvo dohvaćanje zahtijevalo potrebu za sekvenciranjem i dekodiranjem cijelog skupa DNK podataka kako bi se pronašlo i izdvojilo nekoliko željenih datoteka. Važnost "slučajnog pristupa" dodatno se povećava kada se količina podataka povećava i postaje ogromna jer smanjuje količinu sekvenciranja koje je potrebno učiniti. Ovo je prvi put ikad da je slučajni pristup prikazan u tako velikoj mjeri. Istraživači su također razvili algoritam za učinkovitije dekodiranje i vraćanje podataka s većom tolerancijom na pogreške u podacima, čime je postupak sekvenciranja također brži. Više od 13 milijuna sintetskih DNA oligonukleotida je kodirano u ovoj studiji, što su podaci veličine 200 MB koji se sastoje od 35 datoteka (sadrže video, audio, slike i tekst) veličine od 29 KB do 44 MB. Te su datoteke dohvaćene pojedinačno bez pogrešaka. Također, autori su osmislili nove algoritme koji su robusniji i tolerantniji na greške u pisanju i čitanju DNK sekvenci. Ova studija objavljena u Nature Biotechnology u velikom napretku koji pokazuje održiv, opsežan sustav za pohranu i pronalaženje DNK.
Sustav za pohranu DNK izgleda vrlo privlačno jer ima visoku gustoću podataka, visoku stabilnost i jednostavan je za pohranjivanje, ali očito ima mnogo izazova prije nego što se može univerzalno usvojiti. Nekoliko čimbenika je vrijeme i naporno dekodiranje DNK (sekvenciranje) i također sinteza DNA. Tehnika zahtijeva veću točnost i širi obuhvat. Iako je u ovom području postignut napredak, točan format u kojem će se podaci dugoročno pohranjivati kao DNA još uvijek se razvija. Microsoft je obećao poboljšati proizvodnju sintetičke DNK i odgovoriti na izazove kako bi dizajnirao potpuno operativan DNA sustav skladištenja do 2020.
***
{Izvorni istraživački rad možete pročitati klikom na vezu DOI koja se nalazi u nastavku na popisu citiranih izvora}
Izvor (i)
1. Erlich Y i Zielinski D 2017. DNK Fountain omogućuje robusnu i učinkovitu arhitekturu pohrane. Znanost. 355 (6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L i sur. 2018. Slučajni pristup u velikoj pohrani DNK podataka. Biotehnologija prirode. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
