Prebojna študija naredi pomemben korak naprej pri iskanju razvoja a DNAsistem za shranjevanje digitalnih podatkov.
Digital datum danes raste eksponentno zaradi naše odvisnosti od pripomočkov in zahteva robustno dolgoročno shranjevanje. Shranjevanje podatkov počasi postaja zahtevno, saj trenutna digitalna tehnologija ne more zagotoviti rešitve. Primer je, da je bilo v zadnjih dveh letih ustvarjenih več digitalnih podatkov kot v vsej zgodovini računalnikov, dejansko se ustvari 2.5 kvintilijona bajtov {1 kvintilijon bajtov = 2,500,000 terabajtov (TB) = 2,500,000,000 gigabajtov (GB)}). vsak dan na svetu. To vključuje podatke o spletnih mestih za družbena omrežja, transakcije spletnega bančništva, evidence podjetij in organizacij, podatke iz satelitov, nadzor, raziskave, razvoj itd. Teh podatkov je ogromno in nestrukturiranih. Zato je zdaj velik izziv spopadanje z velikimi zahtevami po shranjevanju podatkov in njihovo eksponentno rastjo, zlasti za organizacije in korporacije, ki potrebujejo robustno dolgoročno shranjevanje.
Možnosti, ki so trenutno na voljo, so trdi disk, optični diski (CD), pomnilniški ključi, bliskovni pogoni in naprednejši tračni pogoni ali optični diski BluRay, ki shranijo približno do 10 terabajtov (TB) podatkov. Čeprav se takšne naprave za shranjevanje pogosto uporabljajo, imajo številne pomanjkljivosti. Prvič, imajo nizek do srednji rok uporabnosti in jih je treba hraniti pri idealnih pogojih temperature in vlažnosti, da lahko zdržijo več desetletij in zato potrebujejo posebej zasnovane fizične prostore za shranjevanje. Skoraj vsi ti porabijo veliko energije, so obsežni in nepraktični ter se lahko poškodujejo pri preprostem padcu. Nekateri od njih so zelo dragi, pogosto imajo težave s podatki in zato niso dovolj robustni. Možnost, ki jo je organizacija splošno sprejela, se imenuje računalništvo v oblaku – dogovor, v katerem podjetje v bistvu najame »zunanji« strežnik za obravnavo vseh svojih IT in zahtev za shranjevanje podatkov, imenovan »oblak«. Ena od glavnih pomanjkljivosti računalništva v oblaku so vprašanja varnosti in zasebnosti ter ranljivost za napade hekerjev. Obstajajo tudi druga vprašanja, kot so visoki stroški, omejen nadzor s strani matične organizacije in odvisnost od platforme. Računalništvo v oblaku je še vedno dobra alternativa za dolgoročno shranjevanje. Vendar pa je videti, da digitalne informacije, ki se ustvarjajo po vsem svetu, zagotovo prehitevajo našo sposobnost shranjevanja in so potrebne še bolj robustne rešitve, ki bodo poskrbele za to poplavo podatkov, hkrati pa zagotavljale razširljivost, da bi upoštevali tudi prihodnje potrebe po shranjevanju.
Ali lahko DNK pomaga pri računalniškem shranjevanju?
naše DNA (deoksiribonukleinska kislina) velja za vznemirljiv alternativni medij za shranjevanje digitalnih podatkov. DNA je samopodvajajoč material, ki je prisoten v skoraj vseh živih organizmih in je tisto, kar sestavlja naše genetske informacije. Umetno ali sintetično DNA je trpežen material, ki ga je mogoče izdelati s komercialno dostopnimi stroji za sintezo oligonukleotidov. Glavna prednost DNK je njena dolgoživost kot a DNA traja 1000-krat dlje kot silicij (silicijev čip – material, ki se uporablja za gradnjo računalniki). Neverjetno, samo en kubični milimeter DNA lahko vsebuje kvintilion bajtov podatkov! DNA je tudi ultrakompakten material, ki se nikoli ne razgradi in ga je mogoče hraniti na hladnem in suhem mestu več stoletij. Zamisel o uporabi DNK za shranjevanje je prisotna že dolgo, vse do leta 1994. Glavni razlog je podoben način, na katerega se informacije shranjujejo v računalniku in v našem DNA – ker oba hranita načrte informacij. Računalnik shranjuje vse podatke kot 0 in 1 in DNK shranjuje vse podatke živega organizma z uporabo štirih baz – timina (T), gvanina (G), adenina (A) in citozina (C). Zato bi DNK lahko imenovali standardna naprava za shranjevanje, tako kot računalnik, če bi lahko te baze predstavili kot 0 (bazi A in C) in 1 (bazi T in G). DNK je trden in dolgotrajen, najenostavnejši odraz pa je, da se naša genetska koda – načrt vseh naših informacij, shranjenih v DNK – učinkovito prenaša iz ene generacije v drugo na ponavljajoč se način. Vsi velikani programske in strojne opreme si želijo uporabiti sintetično DNK za shranjevanje velikih količin, da bi dosegli svoj cilj reševanja dolgoročnega arhiviranja podatkov. Ideja je, da najprej pretvorimo računalniško kodo 0 in 1 v kodo DNK (A, C, T, G), pretvorjeno kodo DNK nato uporabimo za izdelavo sintetičnih verig DNK, ki jih je mogoče nato shraniti v hladilnico. Kadarkoli je to potrebno, je mogoče pramene DNK odstraniti iz hladilnice in njihove informacije dekodirati s strojem za sekvenciranje DNK, zaporedje DNK pa se končno prevede nazaj v binarni računalniški format 1s in 0s, da se prebere na računalniku.
To je bilo prikazano1 da lahko samo nekaj gramov DNK shrani kvintilion bajtov podatkov in jih ohrani nedotaknjene do 2000 let. Vendar se je to preprosto razumevanje soočilo z nekaterimi izzivi. Prvič, zapisovanje podatkov v DNK, tj. dejanska pretvorba 0 in 1 v baze DNK (A, T, C, G), je precej drago in tudi boleče počasno. Drugič, ko so podatki "zapisani" na DNK, je težko najti in pridobiti datoteke in zahteva tehniko, imenovano DNA sekvenciranje – postopek določanja natančnega vrstnega reda baz znotraj a DNA molekula - po kateri se podatki dekodirajo nazaj na 0s in 1s.
Nedavna študija2 znanstveniki iz Microsoft Research in Univerze v Washingtonu so dosegli "naključni dostop" do shranjevanja DNK. Vidik »naključnega dostopa« je zelo pomemben, ker pomeni, da se informacije lahko prenesejo v ali iz kraja (običajno spomin), v katerem je vsaka lokacija, ne glede na to, kje v zaporedju, in je do njih mogoče neposredno dostopati. S to tehniko naključnega dostopa je mogoče datoteke pridobiti iz pomnilnika DNK na selektiven način v primerjavi s prejšnjimi, ko je takšno iskanje zahtevalo zaporedje in dekodiranje celotnega nabora podatkov DNK, da bi našli in ekstrahirali nekaj želenih datotek. Pomen »naključnega dostopa« se še poveča, ko se količina podatkov poveča in postane ogromna, saj zmanjša količino zaporedja, ki ga je treba izvesti. To je prvič, da je bil naključni dostop prikazan v tako velikem obsegu. Raziskovalci so razvili tudi algoritem za učinkovitejše dekodiranje in obnavljanje podatkov z večjo toleranco do podatkovnih napak, zaradi česar je tudi postopek zaporedja hitrejši. V tej študiji je bilo kodiranih več kot 13 milijonov sintetičnih DNK oligonukleotidov, kar so bili podatki velikosti 200 MB, sestavljeni iz 35 datotek (ki vsebujejo video, zvok, slike in besedilo) velikosti od 29 KB do 44 MB. Te datoteke so bile pridobljene posamezno brez napak. Prav tako so avtorji zasnovali nove algoritme, ki so bolj robustni in tolerantni na napake pri pisanju in branju zaporedij DNK. Ta študija, objavljena v Nature Biotechnology v velikem napredku, ki prikazuje izvedljiv, obsežni sistem za shranjevanje in pridobivanje DNK.
Sistem za shranjevanje DNK je videti zelo privlačen, saj ima visoko gostoto podatkov, visoko stabilnost in je enostaven za shranjevanje, vendar ima očitno veliko izzivov, preden ga lahko univerzalno sprejmejo. Nekaj dejavnikov je časovno in delovno intenzivno dekodiranje DNK (sekvenciranje) in tudi sinteza DNA. Tehnika zahteva večjo natančnost in širši obseg. Čeprav je bil na tem področju dosežen napredek, je natančen format, v katerem bodo podatki dolgoročno shranjeni DNA se še razvija. Microsoft se je zaobljubil, da bo izboljšal proizvodnjo sintetične DNK in se spopadel z izzivi za načrtovanje popolnoma operativnega DNA sistem za shranjevanje do leta 2020.
***
{Izvirno raziskovalno nalogo lahko preberete s klikom na spodnjo povezavo DOI na seznamu citiranih virov}
Vir (i)
1. Erlich Y in Zielinski D 2017. DNK Fountain omogoča robustno in učinkovito arhitekturo shranjevanja. znanost. 355 (6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L et al. 2018. Naključni dostop v obsežni shrambi podatkov DNK. Biotehnologija narave. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
