V posledních několika letech vědci dekódovali 700 000 let staré genomy mamutů a koní pomocí fragmentů DNA získaných z fosilií. DNA rozhodně vydrží mnohem déle než organismy, pro které nese genetické kódy. Počítačoví vědci a inženýři dlouho snili o využití maličkosti a odolnosti DNA k ukládání digitálních dat. Chtějí všechny tyto nuly a jedničky kódovat do molekul A, C, G a T, které tvoří točité schodiště polymeru DNA - a pokrok tohoto desetiletí v syntéze a sekvenování DNA vedl k zásadnímu průlomu. Nedávné experimenty ukázaly, že jednoho dne budeme schopni zakódovat všechny digitální informace na světě do několika litrů DNA - a znovu si je přečíst o tisíce let později.
Zájem společnosti Microsoft a dalších technologických společností zvyšuje napětí v této oblasti. Minulý měsíc společnost Microsoft Research uvedla, že zaplatí spuštění syntetické biologie Twist Bioscience za vytvoření 10 milionů řetězců DNA navržených počítačovými vědci společnosti Microsoft pro ukládání dat. Přední výrobce paměti, společnost Micron Technology, také financuje výzkum ukládání DNA, aby zjistil, zda systém nukleových kyselin může posunout hranice elektronické paměti. Tento příliv peněz a úroků by mohl postupně snížit přemrštěné náklady a umožnit ukládání dat v DNA do deseti let, tvrdí vědci.
Lidé do roku 2017 vygenerují více než 16 bilionů gigabajtů digitálních dat a většinu z nich bude třeba archivovat. Právní, finanční a lékařské údaje a samozřejmě také multimediální soubory. Dnes se data ukládají na pevné disky, optické disky v energeticky náročných datových centrech o velikosti skladu. V nejlepším případě jsou tato data uložena po dobu třiceti let, v horším případě - několik. Podle počítačové architektury Microsoft Research Karin Straussové navíc „Vyrábíme mnohem více dat, než může odvětví úložišť udělat, a projekce ukazují, že se tento rozdíl zvětší.“
Nyní k tomu všemu přidejme DNA. Žije po staletí, pokud je chována na chladném a suchém místě. Teoreticky může zabalit miliardy gigabajtů dat do kostky cukru. Tape, nejhustší úložné médium, které je dnes k dispozici, pojme 10 gigabajtů na stejném prostoru. „DNA je neuvěřitelně husté, odolné a energeticky nezávislé paměťové médium,“říká Olgica Milenkovic, profesorka elektrického a počítačového inženýrství na University of Illinois v Urbana-Champaign.
Je to proto, že každá ze čtyř stavebních molekul - adenin (A), cytosin ©, guanin (G) a thymin (T) - zaujímá kubický nanometr v objemu. Pomocí kódovacího systému - řekněme, ve kterém A představuje bity „00“, C představuje „01“atd. - mohou vědci vzít řady jedniček a nul, které tvoří digitální datové soubory, a vytvořit řetězec DNA obsahující snímek nebo video. Skutečná technika kódování je samozřejmě mnohem komplikovanější, než jsme pro vás napsali zde. Návrh syntézy řetězců DNA je proces zápisu dat. Vědci je pak mohou přečíst sekvenováním řetězců.
Harvardský genetik George Church založil tuto oblast výzkumu v roce 2012 zakódováním 70 miliard výtisků knihy - jeden milion gigabitů - do kubického milimetru DNA. O rok později vědci z Evropského bioinformatického institutu ukázali, že dokážou přečíst bez jediné chyby 739 kilobajtů dat uzavřených v DNA.
V loňském roce několik týmů vědců prokázalo plně funkční systémy. V srpnu vědci z ETH Curych zapouzdřili syntetickou DNA do skla, vystavili podmínkám simulujícím vypršení 2 000 let a kompletně obnovili kódovaná data. Souběžně Milenkovic a její kolegové uvedli, že šest amerických univerzit zachránilo stránky Wikipedie v DNA a - poskytnutím sekvencí zvláštními „adresami“- selektivně přečtené a upravené části psaného textu. Náhodný přístup k datům je zásadní, aby se zabránilo nutnosti „posloupnosti celé knihy, aby se přečetl jen jeden odstavec,“říká Milenkovich.
V dubnu Strauss a vědci Jord Seelig a Luis Tsese z Washingtonské univerzity uvedli, že byli schopni zaznamenat tři obrazové soubory, každý několik desítek kilobajtů, ve 40 000 řetězcích DNA pomocí vlastního kódovacího schématu a poté je jednotlivě číst, ne dělání chyb. Svou práci představili v dubnu na konferenci Asociace pro elektronické výpočty. S 10 miliony řetězců, které Microsoft kupuje od Twist Bioscience, vědci plánují dokázat, že data DNA mohou být uložena v mnohem větším měřítku. "Naším cílem je předvést finální systém, ve kterém kódujeme soubory DNA, syntetizujeme molekuly, dlouhodobě je ukládáme a poté je obnovujeme sekvenováním DNA," říká Strauss. „Začínáme s rytmy a vracíme se k rytmům.“
Propagační video:
Výrobce paměti Micron studuje DNA jako postsilikonovou technologii. Společnost financuje práci vědců z církve a univerzity v Idahu na vytvoření bezchybného úložného systému v DNA. "Rostoucí náklady na skladování budou pohánět alternativní řešení a skladování DNA je jedním z nejslibnějších řešení," řekl Gurtei Sandu, ředitel vývoje pokročilých technologií ve společnosti Micron.
Vědci stále hledají způsoby, jak snížit počet chyb v kódování a dekódování dat. Ale většina technologie je již na místě. Co nám tedy brání v přechodu z datových skladů o velikosti botníku do skleněných tobolek DNA? Náklady. "Proces nahrávání je milionkrát dražší," říká Seelig.
Důvod: Výroba DNA zahrnuje navazování nanosized molekul jeden po druhém s vysokou přesností - není to snadný úkol. Ačkoli náklady na sekvenování klesly kvůli rychle rostoucí poptávce po této službě, syntéza DNA neměla na trhu podobný ovladač. Milenkovic zaplatil asi 150 $ za vytvoření řetězce 1 000 syntetizovaných nukleotidů. Sekvenování milionu nukleotidů stojí asi cent.
Zájem o ukládání dat od společností Microsoft a Micron může být jen hybnou silou potřebnou k zahájení snižování nákladů, říká Seelig. Chytré inženýrství a nové technologie, jako je mikrofluidika a nanopore DNA sekvenování, které pomáhají snižovat a zrychlovat proces, také pomohou pokročit. Nyní trvá několik hodin sekvenovat několik stovek párů bází - a dny jejich syntézy - pomocí spousty zařízení. Přál bych si, abych to všechno mohl udělat v malé krabičce, jinak by došlo ke ztrátě výhody hustoty úložiště.
Pokud vše půjde dobře, Strauss předpokládá, že společnosti nabízející služby archivace DNA pro příští desetiletí. „Můžete otevřít prohlížeč a nahrát soubory na jeho stránky nebo si vzít bajty zpět, jako byste to udělali v cloudu,“říká. Nebo byste si místo pevného disku mohli koupit disk DNA.
ILYA KHEL