Vedci za posledných pár rokov dekódovali 700 000 rokov staré genómy mamutov a koní pomocou fragmentov DNA extrahovaných z fosílií. DNA rozhodne vydrží oveľa dlhšie ako organizmy, pre ktoré nesie genetické kódy. Počítačoví vedci a inžinieri už dlho snívali o využití maličkosti a odolnosti DNA na ukladanie digitálnych údajov. Chcú kódovať všetky tieto nuly a molekuly do molekúl A, C, G a T, ktoré tvoria točité schodisko polyméru DNA - a pokrok tohto desaťročia v syntéze a sekvenovaní DNA viedol k veľkému prielomu. Posledné experimenty ukázali, že jedného dňa budeme schopní zakódovať všetky digitálne informácie sveta do niekoľkých litrov DNA - a znova si ich prečítať o tisíce rokov neskôr.
Záujem spoločnosti Microsoft a ďalších technologických spoločností zvyšuje napätie v tejto oblasti. Minulý mesiac spoločnosť Microsoft Research uviedla, že zaplatí startupu syntetickej biológie Twist Bioscience za vytvorenie 10 miliónov reťazcov DNA navrhnutých počítačovými vedcami spoločnosti Microsoft na ukladanie údajov. Popredný výrobca pamäte, spoločnosť Micron Technology, tiež financuje výskum skladovania DNA s cieľom zistiť, či systém nukleových kyselín dokáže posunúť hranice elektronickej pamäte. Vedci tvrdia, že tento príliv peňazí a úrokov by mohol postupne znížiť premrštené náklady a umožniť ukladanie údajov do DNA do desiatich rokov.
Ľudia do roku 2017 vygenerujú viac ako 16 biliónov gigabajtov digitálnych údajov a väčšinu z nich bude potrebné archivovať. Právne, finančné a lekárske údaje, ako aj samozrejme multimediálne súbory. Dáta sa dnes ukladajú na pevné disky, optické disky v energeticky náročných dátových centrách s veľkosťou skladu. V lepšom prípade sa tieto údaje uchovávajú tridsať rokov, v horšom prípade niekoľko. Podľa počítačovej architektky Microsoft Research Karin Straussovej navyše „Produkujeme oveľa viac dát, ako dokáže ukladací priemysel, a prognózy ukazujú, že sa priepasť bude zväčšovať.“
Teraz k tomu všetkému pridajme DNA. Môže žiť po celé storočia, ak je chovaná na chladnom a suchom mieste. Teoreticky dokáže zbaliť miliardy gigabajtov dát do kocky cukru. Tape, najhustejšie úložné médium, aké je dnes k dispozícii, pojme 10 gigabajtov na rovnakom množstve miesta. „DNA je neuveriteľne husté, odolné a neprchavé pamäťové médium,“hovorí Olgica Milenkovic, profesorka elektrického a počítačového inžinierstva na Illinoiskej univerzite v Urbana-Champaign.
Je to preto, že každá zo štyroch stavebných molekúl - adenín (A), cytozín ©, guanín (G) a tymín (T) - zaberá objem kubického nanometra. Pomocou kódovacieho systému - povedzme, v ktorom A predstavuje bity „00“, C predstavuje „01“atď. - môžu vedci vziať rady jednotiek a núl, ktoré tvoria digitálne dátové súbory, a vytvoriť reťazec DNA obsahujúci snímku alebo video. Skutočná technika kódovania je samozrejme oveľa komplikovanejšia, ako sme tu pre vás napísali. Dizajnová syntéza vlákien DNA je proces zápisu údajov. Vedci ich potom môžu prečítať sekvenovaním reťazcov.
Harvardský genetik George Church založil túto oblasť výskumu v roku 2012 zakódovaním 70 miliárd kópií knihy - milión gigabitov - do kubického milimetra DNA. O rok neskôr vedci z Európskeho ústavu pre bioinformatiku ukázali, že dokážu prečítať bez jedinej chyby 739 kilobajtov dát uzavretých v DNA.
Minulý rok niekoľko tímov vedcov predviedlo plne funkčné systémy. V auguste vedci z ETH Zürich zapuzdrili syntetickú DNA do skla, podrobili sa podmienkam simulujúcim uplynutie 2 000 rokov a kódované údaje úplne obnovili. Milenkovic a jej kolegovia súčasne uviedli, že šesť amerických univerzít zachránilo stránky Wikipedia v DNA a - poskytnutím sekvencií špeciálnymi „adresami“- selektívne prečítané a upravené časti písaného textu. Náhodný prístup k údajom je zásadný, aby sa zabránilo nutnosti „sekvenovania celej knihy, aby sa prečítal iba jeden odsek,“hovorí Milenkovich.
V apríli Strauss a vedci Jord Seelig a Luis Tsese z Washingtonskej univerzity oznámili, že boli schopní napísať tri obrazové súbory, každý niekoľko desiatok kilobajtov, do 40 000 vlákien DNA pomocou vlastnej kódovacej schémy a potom ich prečítať jednotlivo, nie robiť chyby. Svoju prácu predstavili v apríli na konferencii Asociácie pre elektronické výpočty. Vďaka 10 miliónom reťazcov, ktoré spoločnosť Microsoft kupuje od spoločnosti Twist Bioscience, plánujú vedci dokázať, že údaje o DNA je možné ukladať v oveľa väčšom rozsahu. "Naším cieľom je demonštrovať konečný systém, v ktorom kódujeme súbory DNA, syntetizujeme molekuly, dlho ich uchovávame a potom ich obnovujeme sekvenovaním DNA," hovorí Strauss. „Začíname s rytmami a vraciame sa k rytmom.“
Propagačné video:
Výrobca pamätí Micron študuje DNA ako postsilikónovú technológiu. Spoločnosť financuje prácu vedcov z Cirkvi a univerzity v Idahu na vytvorení bezchybného úložného systému v DNA. „Rastúce náklady na skladovanie budú poháňať alternatívne riešenia a skladovanie DNA je jedným z najsľubnejších riešení,“uviedol Gurtei Sandu, riaditeľ vývoja pokrokových technológií v spoločnosti Micron.
Vedci stále hľadajú spôsoby, ako znížiť počet chýb v kódovaní a dekódovaní údajov. Ale väčšina technológie je už na mieste. Čo nám teda bráni v prechode z dátových skladov veľkosti škatule na topánky do sklenených kapsúl DNA? Náklady. „Proces nahrávania je miliónkrát nákladnejší,“hovorí Seelig.
Tu je dôvod: Výroba DNA zahŕňa navliekanie molekúl nanosized po jednej s vysokou presnosťou - nie je to ľahká úloha. Aj keď náklady na sekvenovanie klesli z dôvodu rýchlo rastúceho dopytu po tejto službe, syntéza DNA nemala na trhu podobný pohon. Milenkovič zaplatil asi 150 dolárov za vytvorenie reťazca 1 000 syntetizovaných nukleotidov. Sekvenovanie milióna nukleotidov stojí asi cent.
Záujem o ukladanie dát od spoločností Microsoft a Micron môže byť len hybnou silou potrebnou na začatie znižovania nákladov, tvrdí Seelig. Chytré inžinierstvo a nové technológie ako mikrofluidika a nanopórové sekvenovanie DNA, ktoré pomáhajú znižovať a urýchľovať proces, tiež pomôžu napredovať. Sekvenovanie niekoľkých stoviek párov báz - a dní na ich syntézu - teraz trvá veľa hodín pomocou veľkého množstva zariadení. Prial by som si, aby som to všetko zvládol v malom boxe, inak by sa stratila výhoda hustoty úložiska.
Ak pôjde všetko dobre, Strauss si myslí, že spoločnosti ponúkajúce služby archívneho uchovávania DNA na ďalšie desaťročie. „Môžete otvoriť prehliadač a načítať súbory na ich stránky alebo vziať svoje bajty späť, ako by ste to robili v cloude,“hovorí. Alebo si môžete kúpiť disk DNA namiesto pevného disku.
ILYA KHEL