В свят, управляван от данни, създаване на центрове, които могат да съхраняват евтино, бързо и ефективно
Система за съхранение на ДНКзвучи като научна фантастика. Но такива решения вече са приложени. Вярно, засега основно за изследователски цели и за съхраняване на архивни данни, които не е необходимо да се използват често. Основното ограничение за работа с ДНК е трудността с бързия паралелен достъп до голям брой файлове и грешки при четене и запис.
Създаден е международен екип от изследователитехнология, която може да премахне съществуващите недостатъци. Един от авторите на изследването, публикувано в списание Nature, е уверен, че с помощта на предложеното решение в рамките на 5-10 години пълноценните центрове за данни, базирани на ДНК, ще станат реалност.
ДНК като система за съхранение на данни
Идеята за използване на ДНК нишки за съхраняване на данниобсъждани от десетилетия. През 1988 г. изследователи от Харвард и художник Джо Дейвис кодираха изображение с размери 5 на 7 пиксела на древна германска руна (общо 35 бита информация) в ДНК, включена в бактерия E. coli. Но този пример беше само демонстрация на бъдещи възможности: технологията беше твърде скъпа и сложна.
Технически, съхраняването на данни в ДНК стана възможно,когато през 2011 г. изследователи от Харвард разработиха технология за контролиран синтез на ДНК. По-нататъшните изследвания в тази област значително намалиха разходите и увеличиха скоростта на създаване на синтетична ДНК, която съдържа желаните ДНК последователности.
Да съхранява информация в ДНК вместо обичайната 0и 1, които се използват за кодиране на данни, могат да се използват базовите двойки "аденин - тимин" и "цитозин - гуанин". В лабораторията базите се комбинират в определен ред, за да образуват синтетични вериги на ДНК.
Ползи от ДНК
Съхраняването на данни в ДНК има много предимства.Например, един ДНК файл не заема много място: поради високата плътност на молекулата, всеки нуклеотид, еквивалентен на два бита, е около 1 nm³. И екзабайт данни (1 000 000 TB), съхранени като ДНК, могат да се поберат в дланта на ръката ви. ДНК също е изключително стабилна – откриването на запазен генетичен код във вкаменелостите на древни микроорганизми и животни е отличен пример за това. Освен това тази технология не изисква значителни разходи за енергия.
Проблемът е, че ако има въпросиТъй като съществуващите решения работят достатъчно добре за писане на данни (въпреки че остават относително скъпи), започват да възникват проблеми с четенето. PCR методът за произволен достъп, използван в момента за четене, е предразположен към голям брой грешки. Системите могат да четат само един файл наведнъж и качеството на данните се влошава сериозно с всяко четене.
Процесът на четене работи по следния начин:Всеки файл с данни в ДНК включва последователност, която се свързва със специфичен праймер. Използвайки полимеразна верижна реакция (PCR), изследователите започват процеса на синтезиране на милиони копия на желания фрагмент.
Същият принцип работи напр.тестване за коронавирус: под въздействието на определен синтетичен праймер започва верижна реакция и дори малко количество вирусна ДНК става откриваемо. Проблемът е, че четенето на няколко отделни файла изисква няколко праймера да работят едновременно и това води до много грешки в процеса на копиране и унищожаване на оригиналната ДНК.
Мащабируема технология
Международен екип от изследователи предлагаметодът, който според тях ще преодолее тези ограничения, е топлинно фиксирана PCR. Учените създадоха микрокапсули от протеини и полимери, които действат като отделни файлове на ДНК. Всяка такава капсула е свързана с един файл с данни. В допълнение, те са проектирани по такъв начин, че когато множество микрокапсули се нагреят до температури над 50 °C, всяка от тези капсули е запечатана.
Това позволява PCR процесът да четесе появяват независимо във всяка капсула, оставяйки много малко място за грешки. Когато температурата се нормализира, оригиналният файл остава прикрепен към капсулата, а копираните файлове я напускат. Това предпазва оригиналните данни и ДНК от повреда.
Генетиците използваха своя нов подход заедновременно четене на 25 файла, съхранявани в разделената ДНК. Резултатите бяха положителни и неочаквани. Средно при термокапсулите загубата на четене е 0,3% след три четения, в сравнение с 35% при настоящия метод.
Микрокапсули, оцветени с флуоресцентни етикети. Изображение: Том де Гриф
Втората „иновация“ - боядисана със специалноетикетиран каталог. На всеки файл се присвоява флуоресцентен етикет и на всяка капсула се присвоява различен цвят. След това специално устройство може да разпознава цветовете и да ги отделя един от друг, за да улесни сортирането и търсенето на информация в голямо хранилище.
Авторите на технологията са уверени, че тези иновациидостатъчно за създаване на пълноценен център за данни, базиран на ДНК. „В една част на сградата новите файлове ще бъдат кодирани с помощта на ДНК синтез. Другият ще съдържа големи полета от капсули, всяка с отделен файл. Роботизираната ръка ще извади капсулата, ще прочете съдържанието й и ще я постави обратно “, казва един от авторите на изследването. Въпросът е малък: да се изчака, докато цената на синтеза на ДНК намалее още повече, а за това едно десетилетие е достатъчно, уверени са учените.
Прочетете още:
Изкуствен интелект откри четири геоглифа на Наска - гигантски рисунки в пустинята
Отсъствието на "бучки" във Вселената беше обяснено с ултралеки частици от тъмна материя
Около милиард години един ден на Земята е продължил 19 часа: изследователите обясниха защо
На корицата: Изображение от Freepik