Σε έναν κόσμο που βασίζεται στα δεδομένα, δημιουργώντας κέντρα που μπορούν να αποθηκεύουν φθηνά, γρήγορα και αποτελεσματικά
Σύστημα αποθήκευσης DNAακούγεται σαν επιστημονική φαντασία. Όμως τέτοιες λύσεις έχουν ήδη εφαρμοστεί. Αλήθεια, μέχρι στιγμής κυρίως για ερευνητικούς σκοπούς και για αποθήκευση αρχειακών δεδομένων που δεν χρειάζεται να χρησιμοποιούνται συχνά. Ο βασικός περιορισμός για την εργασία με DNA είναι η δυσκολία γρήγορης παράλληλης πρόσβασης σε μεγάλο αριθμό αρχείων και σφαλμάτων ανάγνωσης και εγγραφής.
Έχει αναπτυχθεί μια διεθνής ομάδα ερευνητώντεχνολογία που μπορεί να εξαλείψει τις υπάρχουσες ελλείψεις. Ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, είναι πεπεισμένος ότι χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη λύση μέσα σε 5-10 χρόνια, τα ολοκληρωμένα κέντρα δεδομένων που βασίζονται στο DNA θα γίνουν πραγματικότητα.
Το DNA ως σύστημα αποθήκευσης δεδομένων
Η ιδέα της χρήσης κλώνων DNA για την αποθήκευση δεδομένωνσυζητείται για δεκαετίες. Πίσω στο 1988, οι ερευνητές του Χάρβαρντ και ο καλλιτέχνης Joe Davis κωδικοποίησαν μια εικόνα 5 επί 7 pixel ενός αρχαίου γερμανικού ρούνου (35 bits πληροφορίες συνολικά) στο DNA που περιλαμβάνεται στο βακτήριο E. coli. Αλλά αυτό το παράδειγμα ήταν απλώς μια επίδειξη μελλοντικών δυνατοτήτων: η τεχνολογία ήταν πολύ ακριβή και πολύπλοκη.
Τεχνικά, η αποθήκευση δεδομένων στο DNA έχει καταστεί δυνατή,όταν, το 2011, οι ερευνητές του Χάρβαρντ ανέπτυξαν μια τεχνολογία για ελεγχόμενη σύνθεση DNA. Περαιτέρω έρευνα σε αυτόν τον τομέα μείωσε σημαντικά το κόστος και αύξησε την ταχύτητα δημιουργίας συνθετικού DNA που περιέχει τις επιθυμητές αλληλουχίες DNA.
Για να αποθηκεύσετε πληροφορίες στο DNA αντί για το συνηθισμένο 0και 1, που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση δεδομένων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα ζεύγη βάσεων «αδενίνη - θυμίνη» και «κυτοσίνη - γουανίνη». Στο εργαστήριο, οι βάσεις συνδυάζονται με συγκεκριμένη σειρά για να σχηματίσουν συνθετικούς κλώνους DNA.
Οφέλη του DNA
Η αποθήκευση δεδομένων στο DNA έχει πολλά πλεονεκτήματα.Για παράδειγμα, ένα αρχείο DNA δεν καταλαμβάνει πολύ χώρο: λόγω της υψηλής πυκνότητας του μορίου, κάθε νουκλεοτίδιο, ισοδύναμο με δύο bit, είναι περίπου 1 nm³. Και ένα exabyte δεδομένων (1.000.000 TB) που είναι αποθηκευμένα ως DNA μπορούν να χωρέσουν στην παλάμη του χεριού σας. Το DNA είναι επίσης εξαιρετικά σταθερό - η ανακάλυψη ενός διατηρημένου γενετικού κώδικα στα απολιθώματα αρχαίων μικροοργανισμών και ζώων είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτού. Και επιπλέον, αυτή η τεχνολογία δεν απαιτεί σημαντικό ενεργειακό κόστος.
Το πρόβλημα είναι ότι αν σε ερωτήσειςΔεδομένου ότι οι υπάρχουσες λύσεις λειτουργούν αρκετά καλά για την εγγραφή δεδομένων (αν και παραμένουν σχετικά ακριβές), αρχίζουν να προκύπτουν προβλήματα με την ανάγνωση. Η μέθοδος τυχαίας πρόσβασης PCR που χρησιμοποιείται επί του παρόντος για την ανάγνωση είναι επιρρεπής σε μεγάλο αριθμό σφαλμάτων. Τα συστήματα μπορούν να διαβάσουν μόνο ένα αρχείο κάθε φορά και η ποιότητα των δεδομένων υποβαθμίζεται σοβαρά με κάθε ανάγνωση.
Η διαδικασία ανάγνωσης λειτουργεί ως εξής:Κάθε αρχείο δεδομένων στο DNA περιλαμβάνει μια αλληλουχία που συνδέεται με έναν συγκεκριμένο εκκινητή. Χρησιμοποιώντας την αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR), οι ερευνητές ξεκινούν τη διαδικασία σύνθεσης εκατομμυρίων αντιγράφων του επιθυμητού θραύσματος.
Η ίδια αρχή λειτουργεί, για παράδειγμα,τεστ για κορονοϊό: υπό την επίδραση ενός συγκεκριμένου συνθετικού εκκινητή, ξεκινά μια αλυσιδωτή αντίδραση και ακόμη και μια μικρή ποσότητα DNA του ιού γίνεται ανιχνεύσιμη. Το πρόβλημα είναι ότι η ανάγνωση πολλών ξεχωριστών αρχείων απαιτεί πολλούς εκκινητές για να λειτουργούν ταυτόχρονα, και αυτό οδηγεί σε πολλά σφάλματα στη διαδικασία αντιγραφής και την καταστροφή του αρχικού DNA.
Κλιμακόμενη τεχνολογία
Μια διεθνής ομάδα ερευνητών προτείνειη μέθοδος που πιστεύουν ότι θα ξεπεράσει αυτούς τους περιορισμούς είναι η θερμομονωμένη PCR. Οι επιστήμονες δημιούργησαν μικροκάψουλες πρωτεϊνών και πολυμερών που λειτουργούν ως ξεχωριστά αρχεία DNA. Κάθε τέτοια κάψουλα σχετίζεται με ένα αρχείο δεδομένων. Επιπλέον, έχουν σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε όταν μια πλειάδα μικροκάψουλων θερμαίνεται σε θερμοκρασίες άνω των 50°C, κάθε μία από αυτές τις κάψουλες σφραγίζεται.
Αυτό επιτρέπει την ανάγνωση της διαδικασίας PCRεμφανίζονται ανεξάρτητα σε κάθε κάψουλα, αφήνοντας πολύ λίγα περιθώρια για σφάλματα. Όταν η θερμοκρασία ομαλοποιηθεί, το αρχικό αρχείο παραμένει συνδεδεμένο στην κάψουλα και τα αρχεία που αντιγράφονται το αφήνουν. Αυτό αποτρέπει την αλλοίωση των αρχικών δεδομένων και του DNA.
Οι γενετιστές χρησιμοποίησαν τη νέα τους προσέγγισηταυτόχρονη ανάγνωση 25 αρχείων που είναι αποθηκευμένα στο διαχωρισμένο DNA. Τα αποτελέσματα ήταν θετικά και απροσδόκητα. Κατά μέσο όρο, με τις θερμικές κάψουλες, η απώλεια ανάγνωσης είναι 0,3% μετά από τρεις αναγνώσεις, σε σύγκριση με 35% με την τρέχουσα μέθοδο.
Μικροκάψουλες βαμμένες με φθορίζουσες ετικέτες. Εικόνα: Tom de Greef
Η δεύτερη "καινοτομία" - ζωγραφισμένη με ειδικάκατάλογος με ετικέτα. Σε κάθε αρχείο έχει εκχωρηθεί μια φθορίζουσα ετικέτα και σε κάθε κάψουλα εκχωρείται διαφορετικό χρώμα. Στη συνέχεια, μια ειδική συσκευή μπορεί να αναγνωρίσει τα χρώματα και να τα διαχωρίσει το ένα από το άλλο για να διευκολύνει την ταξινόμηση και την αναζήτηση πληροφοριών σε ένα μεγάλο αποθετήριο.
Οι συγγραφείς της τεχνολογίας είναι βέβαιοι ότι αυτές οι καινοτομίεςαρκετά για τη δημιουργία ενός ολοκληρωμένου κέντρου δεδομένων που βασίζεται σε DNA. «Σε ένα μέρος του κτιρίου, νέα αρχεία θα κωδικοποιηθούν χρησιμοποιώντας σύνθεση DNA. Το άλλο θα περιέχει μεγάλα πεδία με κάψουλες, το καθένα με ξεχωριστό αρχείο. Ο ρομποτικός βραχίονας θα βγάλει την κάψουλα, θα διαβάσει το περιεχόμενό της και θα την τοποθετήσει πίσω», λέει ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. Το θέμα είναι μικρό: να περιμένουμε μέχρι να μειωθεί ακόμη περισσότερο το κόστος της σύνθεσης του DNA, και για αυτή τη δεκαετία είναι αρκετή, είναι σίγουροι οι επιστήμονες.
Διαβάστε περισσότερα:
Η τεχνητή νοημοσύνη βρήκε τέσσερα γεωγλυφικά Nazca - γιγάντια σχέδια στην έρημο
Η απουσία του «σώματος» στο σύμπαν εξηγήθηκε από τα υπερελαφρά σωματίδια της σκοτεινής ύλης
Για περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια, μια μέρα στη Γη διήρκεσε 19 ώρες: οι ερευνητές εξήγησαν γιατί
Στο εξώφυλλο: Εικόνα από το Freepik