Ve světě založeném na datech vytváření center, která mohou skladovat levně, rychle a efektivně
Systém ukládání DNAzní jako sci-fi. Ale taková řešení již byla implementována. Pravda, zatím hlavně pro badatelské účely a pro uchování archivních dat, která není potřeba často využívat. Klíčovým omezením pro práci s DNA jsou potíže s rychlým paralelním přístupem k velkému počtu souborů a chybami čtení a zápisu.
Vyvinul se mezinárodní tým výzkumníkůtechnologie, která dokáže odstranit stávající nedostatky. Jeden z autorů studie publikované v časopise Nature je přesvědčen, že s využitím navrhovaného řešení se během 5-10 let stanou plnohodnotná datová centra založená na DNA realitou.
DNA jako systém ukládání dat
Myšlenka použití řetězců DNA k ukládání datdiskutované desítky let. V roce 1988 zakódovali výzkumníci z Harvardu a umělec Joe Davies 5 x 7 pixelů obrázek starověké germánské runy (celkem 35 bitů informace) do DNA obsažené v bakterii E. coli. Ale tento příklad byl jen ukázkou budoucích možností: technologie byla příliš drahá a komplikovaná.
Technicky se uchovávání dat v DNA stalo možným,když v roce 2011 výzkumníci z Harvardu vyvinuli technologii pro řízenou syntézu DNA. Další výzkum v této oblasti výrazně snížil náklady a zvýšil rychlost vytváření syntetické DNA, která obsahuje požadované sekvence DNA.
Ukládat informace do DNA místo obvyklé 0a 1, které se používají ke kódování dat, lze použít páry bází „adenin – thymin“ a „cytosin – guanin“. V laboratoři jsou báze kombinovány ve specifickém pořadí za vzniku syntetických řetězců DNA.
Výhody DNA
Ukládání dat do DNA má mnoho výhod.Například soubor DNA nezabírá mnoho místa: kvůli vysoké hustotě molekuly má každý nukleotid, ekvivalentní dvěma bitům, asi 1 nm³. A exabajt dat (1 000 000 TB) uložených jako DNA se vám vejde do dlaně. DNA je také extrémně stabilní – objev zachovalého genetického kódu ve fosiliích starověkých mikroorganismů a zvířat je toho zářným příkladem. A kromě toho tato technologie nevyžaduje významné náklady na energii.
Problém je, že pokud v otázkáchVzhledem k tomu, že stávající řešení fungují dostatečně dobře pro zápis dat (ačkoli zůstávají relativně drahá), začínají se vyskytovat problémy se čtením. Metoda náhodného přístupu PCR, která se v současnosti používá pro čtení, je náchylná k velkému počtu chyb. Systémy mohou číst pouze jeden soubor najednou a kvalita dat se při každém čtení vážně zhoršuje.
Proces čtení funguje následovně:Každý datový soubor v DNA obsahuje sekvenci, která se váže na specifický primer. Pomocí polymerázové řetězové reakce (PCR) výzkumníci zahájí proces syntézy milionů kopií požadovaného fragmentu.
Stejný princip funguje např.testování na koronavirus: pod vlivem určitého syntetického primeru se spustí řetězová reakce a i malé množství virové DNA se stane detekovatelným. Problém je v tom, že čtení několika samostatných souborů vyžaduje, aby několik primerů fungovalo současně, což vede k mnoha chybám v procesu kopírování a zničení původní DNA.
Škálovatelná technologie
Mezinárodní tým výzkumníků navrhujemetoda, o které věří, že překoná tato omezení, je tepelně fixovaná PCR. Vědci vytvořili mikrokapsle z proteinů a polymerů, které fungují jako samostatné soubory DNA. Každá taková kapsle je spojena s jedním datovým souborem. Navíc jsou navrženy tak, že když se více mikrokapslí zahřeje na teploty nad 50 °C, každá z těchto kapslí se utěsní.
To umožňuje procesu PCR čístse vyskytují nezávisle v každé kapsli a ponechávají velmi malý prostor pro chyby. Když se teplota normalizuje, původní soubor zůstane připojen k kapsli a zkopírované soubory ji opustí. To chrání původní data a DNA před poškozením.
Genetici použili svůj nový přístup ksimultánní čtení 25 souborů uložených v rozdělené DNA. Výsledky byly pozitivní a neočekávané. V průměru je u termálních kapslí ztráta čtení 0,3 % po třech čteních, oproti 35 % u současné metody.
Mikrokapsle obarvené fluorescenčními značkami. Obrázek: Tom de Greef
Druhá „inovace“ - malovaná speciálníoznačený katalog. Každému souboru je přiřazen fluorescenční štítek a každé kapsli je přiřazena jiná barva. Speciální zařízení pak dokáže rozpoznat barvy a oddělit je od sebe a usnadnit tak třídění a vyhledávání informací ve velkém úložišti.
Autoři technologie jsou přesvědčeni, že tyto inovacedost k vytvoření plnohodnotného datového centra založeného na DNA. „V jedné části budovy budou nové soubory zakódovány pomocí syntézy DNA. Druhá bude obsahovat velká pole kapslí, každá se samostatným souborem. Robotické rameno kapsli vyjme, přečte její obsah a vloží ji zpět,“ říká jeden z autorů studie. Pointa je malá: čekat, až se náklady na syntézu DNA sníží ještě více, a na toto jedno desetiletí stačí, vědci jsou si jisti.
Přečtěte si více:
Umělá inteligence našla v poušti čtyři geoglyfy Nazca – obří kresby
Absence "hrudkovitosti" ve vesmíru byla vysvětlena ultralehkými částicemi temné hmoty
Asi miliardu let, den na Zemi trval 19 hodin: výzkumníci vysvětlili proč
Na obálce: Obrázek od Freepik