Per pastaruosius kelerius metus mokslininkai, naudodami iš fosilijų išgautus DNR fragmentus, iššifravo 700 000 metų senumo mamuto ir arklio genomus. DNR tikrai trunka daug ilgiau nei organizmai, kurių genetiniai kodai yra. Kompiuterių mokslininkai ir inžinieriai jau seniai svajojo panaudoti DNR mažumą ir atsparumą skaitmeninių duomenų saugojimui. Jie nori užkoduoti visus tuos nulius ir nulius į A, C, G ir T molekules, kurios sudaro spiralinius DNR polimero laiptus - o šio dešimtmečio pažanga DNR sintezės ir sekos metu paskatino didelį proveržį. Naujausi eksperimentai parodė, kad vieną dieną mes galėsime užkoduoti visą pasaulio skaitmeninę informaciją keliuose litruose DNR - ir perskaityti dar kartą po tūkstančių metų.
„Microsoft“ir kitų technologijų kompanijų susidomėjimas kelia įtampą šioje srityje. Praėjusį mėnesį „Microsoft Research“teigė, kad sintetinės biologijos startuoliui „Twist Bioscience“sumokės už 10 milijonų „Microsoft“informatikų sukurtų DNR grandinių duomenų saugojimui. Pirmaujanti atminties gamintoja „Micron Technology“taip pat finansuoja DNR kaupimo tyrimus, siekdama nustatyti, ar nukleorūgščių sistema gali peržengti elektroninės atminties ribas. Tyrėjų teigimu, šis pinigų ir palūkanų antplūdis gali palaipsniui sumažinti pernelyg dideles išlaidas ir leisti duomenis saugoti DNR.
Žmonės iki 2017 m. Sugeneruos daugiau nei 16 trilijonų gigabaitų skaitmeninių duomenų, ir didžiąją jų dalį reikės archyvuoti. Teisiniai, finansiniai ir medicininiai duomenys, taip pat, žinoma, daugialypės terpės failai. Šiandien duomenys saugomi kietuosiuose diskuose, optiniuose diskuose - daug energijos sunaudojančiuose sandėlio dydžio duomenų centruose. Geriausiu atveju šie duomenys saugomi trisdešimt metų, blogiausiu atveju - keletą. Be to, pasak „Microsoft Research“kompiuterių architekto Karin Strauss, „Mes gaminame daug daugiau duomenų, nei gali padaryti saugojimo pramonė, ir prognozės rodo, kad atotrūkis didės“.
Dabar prie viso to pridėkime DNR. Jis gyvena šimtmečius, jei laikomas vėsioje, sausoje vietoje. Teoriškai tai gali supakuoti milijardus gigabaitų duomenų į cukraus kubą. Tape, tankiausioje šiandien prieinamoje laikmenoje, gali būti 10 gigabaitų toje pačioje vietoje. „DNR yra nepaprastai tanki, patvari ir nepastovi laikmena“, - sako Olgica Milenkovič, Ilinojaus universiteto Urbana-Champaigno elektros ir kompiuterių inžinerijos profesorė.
Taip yra todėl, kad kiekviena iš keturių statybinių molekulių - adeninas (A), citozinas ©, guaninas (G) ir timinas (T) - užima kubinį nanometrą. Naudodami kodavimo sistemą - tarkime, kurioje A reiškia „00“, „C“- „01“ir pan., Mokslininkai gali paimti eilučių vienetus ir nulius, sudarančius skaitmeninius duomenų failus, ir sukurti DNR grandinę, kurioje yra momentinė nuotrauka ar vaizdo įrašas. Žinoma, tikroji kodavimo technika yra daug sudėtingesnė, nei mes jums čia parašėme. Projektinės DNR grandinės sintezė yra duomenų rašymo procesas. Tuomet mokslininkai gali juos perskaityti sekos tvarka.
Harvardo genetikas George'as Churchas įkūrė šią tyrimų sritį 2012 m., Kubiniame milimetre DNR užkoduodamas 70 milijardų knygos egzempliorių - milijoną gigabitų. Po metų Europos bioinformatikos instituto mokslininkai parodė, kad jie be vienos klaidos gali perskaityti 739 kilobaitų duomenis, uždarytus DNR.
Praėjusiais metais kelios mokslininkų komandos demonstravo visiškai veikiančias sistemas. Rugpjūčio mėnesį ETH Ciuricho mokslininkai sintetinę DNR sukapsulino į stiklą, jiems buvo taikomos sąlygos, imituojančios 2000 metų galiojimo laiką, ir visiškai atgavo užkoduotus duomenis. Tuo pat metu Milenkovič ir jos kolegos pranešė, kad šeši Amerikos universitetai išsaugojo Vikipedijos puslapius DNR ir - pateikdami sekas specialiais „adresais“- pasirinktinai perskaitė ir redagavo parašyto teksto dalis. Atsitiktinė prieiga prie duomenų yra labai svarbi, norint išvengti „eilės visos knygos, kad būtų galima perskaityti tik vieną pastraipą“, sako Milenkovičius.
Balandžio mėnesį Straussas ir mokslininkai Jordas Seeligas bei Luisas Tsese iš Vašingtono universiteto pranešė, kad jie galėjo įrašyti tris vaizdo failus, kurių kiekviena buvo keliasdešimt kilobaitų, 40 000 DNR grandinių, naudodama savo kodavimo schemą, ir tada juos perskaitė atskirai, o ne klysti. Savo darbą jie pristatė balandžio mėnesį elektroninių kompiuterių asociacijos konferencijoje. Turėdami 10 milijonų eilučių, kurias „Microsoft“perka iš „Twist Bioscience“, mokslininkai planuoja įrodyti, kad DNR duomenys gali būti saugomi daug didesniu mastu. "Mūsų tikslas yra parodyti galutinę sistemą, kurioje mes koduojame DNR failus, sintetiname molekules, ilgą laiką jas saugome ir tada atkuriame sekvenuodami DNR", - sako Straussas. - Mes pradedame nuo ritmo ir grįžtame prie ritmo.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Atminties gamintojas „Micron“tiria DNR kaip post silicio technologiją. Bendrovė finansuoja Bažnyčios ir Aidaho universiteto mokslininkų darbą, siekiant sukurti DNR saugojimo sistemą be klaidų. „Augančios saugojimo kainos paskatins alternatyvius sprendimus, o DNR saugojimas yra vienas perspektyviausių sprendimų“, - sakė „Micron“pažangių technologijų plėtros direktorius Gurtei Sandu.
Mokslininkai vis dar ieško būdų, kaip sumažinti duomenų kodavimo ir dekodavimo klaidų skaičių. Tačiau dauguma technologijų jau yra įdiegtos. Taigi, kas mums trukdo pereiti iš batų dėžės dydžio duomenų saugyklų į stiklines DNR kapsules? Kaina. „Įrašymo procesas yra milijoną kartų brangesnis“, - sako Seeligas.
Štai kodėl: DNR gamyba apima didelio tikslumo nano dydžio molekulių sujungimą po vieną - tai nėra lengva užduotis. Ir nors sekvencijos kaina sumažėjo dėl sparčiai augančios šios paslaugos paklausos, DNR sintezė neturėjo panašaus variklio rinkoje. Milenkovičius sumokėjo apie 150 USD už 1000 sintetintų nukleotidų eilutės sukūrimą. Milijono nukleotidų seka kainuoja apie centą.
„Seelig“sako, kad susidomėjimas „Microsoft“ir „Micron“duomenų saugojimu gali būti tik tas momentas, kurio reikia norint sumažinti išlaidas. Pažangi inžinerija ir naujos technologijos, tokios kaip mikrofluidika ir nanoporų DNR sekos, kurios padeda sumažinti ir pagreitinti procesą, taip pat padės pažangai. Dabar, norint susikurti kelis šimtus bazinių porų, reikia kelias valandas - ir dienų jas susintetinti - naudojant daugybę įrangos. Norėčiau, kad visa tai galėčiau padaryti mažoje dėžutėje, kitaip būtų prarastas laikymo tankio pranašumas.
Jei viskas bus gerai, Straussas numato kompanijas, kurios kitam dešimtmečiui siūlo archyvines DNR išsaugojimo paslaugas. "Galite atidaryti naršyklę ir įkelti failus į jų svetainę arba atsiimti savo baitus, kaip tai darytumėte su debesimi", - sako ji. Arba vietoj kietojo disko galite nusipirkti DNR diską.
ILYA KHEL