Průlomová studie dělá významný krok vpřed ve snaze vyvinout a DNA-založený úložný systém pro digitální data.
Digitální datum dnes roste exponenciální rychlostí kvůli naší závislosti na gadgetech a vyžaduje robustní dlouhodobé úložiště. Ukládání dat se pomalu stává náročným, protože současná digitální technologie není schopna poskytnout řešení. Příkladem je, že za poslední dva roky bylo vytvořeno více digitálních dat než za celou historii počítačeve skutečnosti se na světě každý den vytvoří 2.5 quintilion bajtu {1 quintillion byte = 2,500,000 2,500,000,000 XNUMX terabajtů (TB) = XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX gigabajtů (GB)} dat. To zahrnuje data na sociálních sítích, online bankovní transakce, záznamy společností a organizací, data ze satelitů, sledování, výzkumu, vývoje atd. Tato data jsou obrovská a nestrukturovaná. Proto je nyní velkou výzvou vypořádat se s obrovskými požadavky na úložiště dat a jejich exponenciálním růstem, zejména pro organizace a korporace, které vyžadují robustní dlouhodobé úložiště.
V současnosti jsou k dispozici pevné disky, optické disky (CD), paměťové karty, flash disky a pokročilejší páskové jednotky nebo optické disky BluRay, které ukládají zhruba až 10 terabajtů (TB) dat. I když se taková úložná zařízení běžně používají, mají mnoho nevýhod. Za prvé, mají nízkou až střední trvanlivost a musí být skladovány za ideálních teplotních a vlhkostních podmínek, aby vydržely mnoho desetiletí, a proto vyžadují speciálně navržené fyzické skladovací prostory. Téměř všechny spotřebovávají hodně energie, jsou objemné a nepraktické a mohou se poškodit při jednoduchém pádu. Některé z nich jsou velmi drahé, často se potýkají s chybou dat, a proto nejsou dostatečně robustní. Možnost, která byla organizacemi všeobecně akceptována, se nazývá cloud computing – uspořádání, kdy si společnost v zásadě najme „vnější“ server pro zpracování všech jejích požadavků na IT a ukládání dat, označovaný jako „cloud“. Jednou z hlavních nevýhod cloud computingu jsou problémy se zabezpečením a soukromím a zranitelnost vůči útokům ze strany hackerů. Existují také další problémy, jako jsou vysoké náklady, omezená kontrola ze strany mateřské organizace a závislost na platformě. Cloud computing je stále považován za dobrou alternativu pro dlouhodobé úložiště. Zdá se však, že digitální informace, které se generují po celém světě, zcela jistě překonávají naši schopnost je ukládat a že jsou zapotřebí ještě robustnější řešení, která by tuto záplavu dat zvládla a zároveň poskytovala škálovatelnost, aby zohlednila i budoucí potřeby úložiště.
Může DNA pomoci při ukládání do počítače?
Náš DNA (Deoxyribonukleová kyselina) je považována za vzrušující alternativní médium pro ukládání digitálních dat. DNA je sebereplikující se materiál přítomný téměř ve všech živých organismech a je tím, co tvoří naši genetickou informaci. Umělý nebo syntetický DNA je odolný materiál, který lze vyrobit pomocí komerčně dostupných strojů na syntézu oligonukleotidů. Primární výhodou DNA je její dlouhá životnost DNA vydrží 1000krát déle než křemík (křemíkový čip – materiál používaný na stavbu počítače). Překvapivě jen jediný krychlový milimetr DNA může pojmout kvintilion bajtů dat! DNA je také ultrakompaktní materiál, který nikdy nedegraduje a může být skladován na chladném a suchém místě po stovky století. Myšlenka použití DNA pro uchovávání dat existuje již dlouhou dobu od roku 1994. Hlavním důvodem je podobný způsob, jakým jsou informace ukládány v počítači a v našem DNA – protože oba uchovávají plány informací. Počítač ukládá všechna data jako 0s a 1s a DNA ukládá všechna data živého organismu pomocí čtyř bází – thymin (T), guanin (G), adenin (A) a cytosin (C). Proto by DNA mohla být nazývána standardním paměťovým zařízením, stejně jako počítač, pokud lze tyto báze reprezentovat jako 0s (báze A a C) a 1s (základy T a G). DNA je pevná a trvanlivá, nejjednodušší odraz je, že náš genetický kód – plán všech našich informací uložených v DNA – je účinně přenášen z jedné generace na druhou a opakovaným způsobem. Všichni softwaroví a hardwaroví giganti chtějí používat syntetickou DNA k ukládání obrovského množství, aby dosáhli svého cíle vyřešit dlouhodobou archivaci dat. Cílem je nejprve převést počítačový kód 0s a 1s na kód DNA (A, C, T, G), převedený kód DNA je pak použit k výrobě syntetických řetězců DNA, které lze následně uložit do chladírny. Kdykoli je to nutné, mohou být řetězce DNA vyjmuty z chladného skladu a jejich informace dekódovány pomocí sekvenačního stroje DNA a sekvence DNA je nakonec přeložena zpět do binárního počítačového formátu 1s a 0s, aby byla načtena na počítači.
Bylo to ukázáno1 že jen pár gramů DNA může uložit kvintilion bajtů dat a udržet je neporušené až 2000 let. Toto jednoduché chápání však čelilo některým problémům. Za prvé je poměrně drahé a také bolestně pomalé zapisovat data do DNA, tj. vlastní převod nul a jedniček na báze DNA (A, T, C, G). Za druhé, jakmile jsou data „zapsána“ do DNA, je obtížné najít a získat soubory a vyžaduje techniku tzv. DNA sekvenování – proces stanovení přesného pořadí bází v a DNA molekula - poté jsou data dekódována zpět na 0s a 1s.
Nedávná studie2 vědci z Microsoft Research a University of Washington dosáhli „náhodného přístupu“ k úložišti DNA. Aspekt „náhodného přístupu“ je velmi důležitý, protože znamená, že informace mohou být přeneseny na nebo z místa (obecně paměti), ve kterém je každé místo, bez ohledu na to, kde v pořadí, přímo přístupné. Pomocí této techniky náhodného přístupu lze soubory získávat z úložiště DNA selektivním způsobem ve srovnání s dřívějším způsobem, kdy takové vyhledávání vyžadovalo sekvenování a dekódování celého souboru dat DNA, aby bylo možné najít a extrahovat několik souborů, které člověk chtěl. Význam „náhodného přístupu“ se dále zvyšuje, když se množství dat zvyšuje a stává se obrovským, protože snižuje množství sekvencování, které je třeba provést. Je to vůbec poprvé, kdy byl náhodný přístup ukázán v tak velkém měřítku. Výzkumníci také vyvinuli algoritmus pro efektivnější dekódování a obnovu dat s větší tolerancí vůči chybám dat, díky čemuž je postup sekvenování také rychlejší. V této studii bylo zakódováno více než 13 milionů syntetických DNA oligonukleotidů, což byla data o velikosti 200 MB sestávající z 35 souborů (obsahujících video, zvuk, obrázky a text) o velikosti od 29 kB do 44 MB. Tyto soubory byly načteny jednotlivě bez chyb. Autoři také vymysleli nové algoritmy, které jsou robustnější a odolnější vůči chybám při zápisu a čtení sekvencí DNA. Tato studie publikovaná v Nature Biotechnology ve velkém pokroku, který ukazuje životaschopný, rozsáhlý systém pro ukládání a získávání DNA.
Úložný systém DNA vypadá velmi přitažlivě, protože má vysokou hustotu dat, vysokou stabilitu a snadno se ukládá, ale je zřejmé, že před jeho univerzálním přijetím má mnoho problémů. Jen málo faktorů je časově a pracně náročné dekódování DNA (sekvenování) a také syntéza DNA. DNA. Technika vyžaduje větší přesnost a širší pokrytí. I když byl v této oblasti učiněn pokrok, přesný formát, ve kterém budou data dlouhodobě uchovávána DNA se stále vyvíjí. Společnost Microsoft se zavázala, že zlepší produkci syntetické DNA a vyřeší výzvy, jak navrhnout plně funkční DNA úložný systém do roku 2020.
***
{Původní výzkumný dokument si můžete přečíst kliknutím na odkaz DOI uvedený níže v seznamu citovaných zdrojů}
Zdroje)
1. Erlich Y a Zielinski D 2017. DNA Fountain umožňuje robustní a efektivní architekturu úložiště. Věda. 355 (6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L a kol. 2018. Náhodný přístup do rozsáhlého úložiště dat DNA. Přírodní biotechnologie. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
