Egy áttörést jelentő tanulmány jelentős lépést tesz előre a törekvésben, hogy a DNS-alapú digitális adattároló rendszer.
Digitális dátum exponenciális ütemben növekszik ma, mert függünk a kütyüktől, és robusztus, hosszú távú tárolást igényel. Az adattárolás lassan kihívást jelent, mert a jelenlegi digitális technológia nem tud megoldást nyújtani. Példa erre, hogy több digitális adatot hoztak létre az elmúlt két évben, mint a történelem során számítógépek, valójában 2.5 kvintimillió bájt {1 kvintimillió bájt = 2,500,000 2,500,000,000 XNUMX terabájt (TB) = XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX gigabájt (GB)} adat keletkezik naponta a világon. Ide tartoznak a közösségi oldalak adatai, az online banki tranzakciók, a vállalatok és szervezetek nyilvántartásai, műholdakról, felügyeletről, kutatásról, fejlesztésről stb. származó adatok. Ezek az adatok hatalmasak és strukturálatlanok. Ezért most nagy kihívást jelent megbirkózni az adatok hatalmas tárolási követelményeivel és azok exponenciális növekedésével, különösen a robusztus, hosszú távú tárolást igénylő szervezetek és vállalatok számára.
A jelenleg elérhető opciók a merevlemezek, az optikai lemezek (CD-k), a memóriakártyák, a flash meghajtók és a fejlettebb szalagos meghajtók vagy optikai BluRay lemezek, amelyek nagyjából 10 terabájt (TB) adatot tárolnak. Az ilyen tárolóeszközök, bár gyakran használják, számos hátránnyal rendelkeznek. Először is, alacsony-közepes eltarthatósági idejük van, és ideális hőmérsékleti és páratartalom mellett kell tárolni őket ahhoz, hogy több évtizedet kitartsanak, és így speciálisan kialakított fizikai tárolóhelyet igényeljenek. Ezek szinte mindegyike sok energiát fogyaszt, terjedelmesek és nem praktikusak, és egy egyszerű esésnél megsérülhetnek. Némelyikük nagyon drágák, gyakran adathibákkal sújtják őket, ezért nem elég robusztusak. Egy, a szervezetek által általánosan elfogadott lehetőséget hívják számítási felhőnek – egy olyan megoldást, amelyben a vállalat alapvetően egy „külső” szervert bérel fel az összes informatikai és adattárolási követelményének kezelésére, amit „felhőnek” neveznek. A felhőalapú számítástechnika egyik fő hátránya a biztonsági és adatvédelmi problémák, valamint a hackerek támadásaival szembeni sebezhetőség. Vannak más problémák is, mint például a magas költségek, a szülői szervezet korlátozott irányítása és a platformfüggőség. A felhőalapú számítástechnikát továbbra is jó alternatívának tartják a hosszú távú tároláshoz. Úgy tűnik azonban, hogy a világszerte generált digitális információ minden bizonnyal túlszárnyalja a tárolási képességünket, és még robusztusabb megoldásokra van szükség az adatözön kezelésére, miközben skálázhatóságot biztosít a jövőbeni tárolási igények figyelembevételéhez.
Segíthet a DNS a számítógépes tárolásban?
termékeink DNS (dezoxiribonukleinsav) a digitális adattárolás izgalmas alternatív médiuma. DNS szinte minden élő szervezetben jelen lévő önreplikáló anyag, és ez alkotja genetikai információinkat. Mesterséges vagy szintetikus DNS egy tartós anyag, amely a kereskedelemben kapható oligonukleotid szintézis gépekkel állítható elő. A DNS elsődleges előnye a hosszú élettartam, mint a DNS 1000-szer tovább tart, mint a szilícium (szilícium-chip – az építkezéshez használt anyag számítógépek). Elképesztő módon csak egyetlen köbmilliméter DNS kvintillió bájtnyi adatot tud tárolni! DNS szintén ultrakompakt anyag, amely soha nem bomlik le, és hűvös, száraz helyen több száz évszázadon át tárolható. A DNS tárolására való felhasználásának ötlete már régóta, egészen 1994-ig terjedt. Ennek fő oka az, hogy az információkat hasonló módon tárolják a számítógépben és a mi számítógépünkben. DNS – hiszen mindkettő az információ tervrajzát tárolja. A számítógép minden adatot 0-ként és 1-ként tárol, a DNS pedig egy élő szervezet összes adatát a négy bázis – timin (T), guanin (G), adenin (A) és citozin (C) – felhasználásával tárolja. Ezért a DNS-t szabványos tárolóeszköznek nevezhetjük, akárcsak egy számítógépet, ha ezek a bázisok 0-kként (A és C bázisok) és 1-ekként (T és G bázisok) ábrázolhatók. A DNS szívós és tartós, a legegyszerűbb visszatükrözés az, hogy genetikai kódunk – a DNS-ben tárolt összes információnk vázlata – ismétlődő módon hatékonyan továbbadódik egyik generációról a másikra. Minden szoftver- és hardveróriás szívesen használja a szintetikus DNS-t hatalmas mennyiségek tárolására, hogy elérje célját, az adatok hosszú távú archiválását. Az ötlet az, hogy először a számítógépes 0-s és 1-es kódot DNS-kóddá (A, C, T, G) alakítsák át, majd az átalakított DNS-kódot szintetikus DNS-szálak előállítására használják fel, amelyeket aztán hűtőszekrénybe helyeznek. Ha szükséges, a DNS-szálak eltávolíthatók a hűtőtárolóból, és információik DNS-szekvenáló gép segítségével dekódolhatók, és a DNS-szekvenciát végül visszafordítják 1-es és 0-s bináris számítógépes formátumra, amelyet a számítógépen olvashatnak.
Meg van mutatva1 hogy mindössze néhány gramm DNS kvintillió bájt adatot képes tárolni és akár 2000 évig is érintetlenül megőrizni. Ez az egyszerű megértés azonban bizonyos kihívásokkal szembesült. Először is, meglehetősen drága és fájdalmasan lassú is az adatokat a DNS-be írni, azaz a 0-k és 1-ek tényleges konvertálása DNS-bázisokká (A, T, C, G). Másodszor, miután az adatokat „írták” a DNS-re, nehéz megtalálni és visszakeresni a fájlokat, és egy ún. DNS szekvenálás – a bázisok pontos sorrendjének meghatározására szolgáló folyamat a DNS molekula -amely után az adatokat visszakódolják 0-ra és 1-re.
Egy nemrégiben készült tanulmány2 a Microsoft Research és a Washingtoni Egyetem tudósai „véletlen hozzáférést” értek el a DNS-tároláshoz. A „véletlen hozzáférés” szempont nagyon fontos, mert ez azt jelenti, hogy az információ átvihető olyan helyre vagy onnan (általában memória), ahol minden hely, függetlenül attól, hogy a sorrendben hol van, közvetlenül elérhető. A véletlen hozzáférés e technikájával a fájlok szelektív módon kinyerhetők a DNS-tárhelyről, mint korábban, amikor az ilyen visszakereséshez egy teljes DNS-adatkészlet szekvenálása és dekódolása volt szükséges ahhoz, hogy megtalálják és kivonják a kívánt néhány fájlt. A „véletlenszerű hozzáférés” jelentősége tovább növekszik, amikor az adatmennyiség növekszik, és hatalmasra nő, mivel csökkenti a végrehajtandó szekvenálás mennyiségét. Ez az első alkalom, hogy a véletlen hozzáférést ilyen nagy léptékben mutatták be. A kutatók egy algoritmust is kifejlesztettek az adatok hatékonyabb dekódolására és visszaállítására, nagyobb toleranciával az adathibákkal szemben, ami a szekvenálási eljárást is gyorsabbá teszi. Ebben a vizsgálatban több mint 13 millió szintetikus DNS-oligonukleotidot kódoltak, amely 200 MB méretű adat volt, amely 35 fájlból állt (videót, hangot, képeket és szöveget), amelyek mérete 29 KB és 44 MB között mozog. Ezeket a fájlokat egyenként, hiba nélkül kérték le. Ezenkívül a szerzők új algoritmusokat dolgoztak ki, amelyek robusztusabbak és hibatűrőbbek a DNS-szekvenciák írásában és olvasásakor. Ez a tanulmány ben jelent meg Nature Biotechnology egy jelentős előrelépés, amely életképes, nagy léptékű rendszert mutat be a DNS tárolására és visszanyerésére.
A DNS-tárolórendszer nagyon vonzónak tűnik, mivel nagy adatsűrűséggel, nagy stabilitással és könnyen tárolható, de nyilvánvalóan sok kihívással kell szembenéznie, mielőtt általánosan alkalmazható lenne. Kevés tényező a DNS idő- és munkaigényes dekódolása (a szekvenálás), valamint a DNS szintézise. DNS. A technika nagyobb pontosságot és szélesebb lefedettséget igényel. Annak ellenére, hogy ezen a területen történtek előrelépések, az adatok tárolásának pontos formátuma hosszú távon, as DNS még mindig fejlődik. A Microsoft megfogadta, hogy javítja a szintetikus DNS előállítását, és kezeli a kihívásokat, hogy teljesen működőképes legyen DNS tárolórendszer 2020-ig.
***
{Az eredeti kutatási cikket a hivatkozott forrás(ok) listájában lent található DOI linkre kattintva olvashatja el}
Forrás (ok)
1. Erlich Y és Zielinski D 2017. A DNA Fountain robusztus és hatékony tárolási architektúrát tesz lehetővé. Tudomány. 355(6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L et al. 2018. Véletlenszerű hozzáférés nagyméretű DNS adattárolásban. Természet biotechnológia. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
