In een datagedreven wereld creëren we centra die goedkoop, snel en efficiënt kunnen opslaan
DNA-opslagsysteemklinkt als sciencefiction. Maar dergelijke oplossingen zijn al geïmplementeerd. Toegegeven, tot nu toe vooral voor onderzoeksdoeleinden en voor het opslaan van archiefgegevens die niet vaak hoeven te worden gebruikt. De belangrijkste beperking bij het werken met DNA is de moeilijkheid van snelle parallelle toegang tot een groot aantal bestanden en lees- en schrijffouten.
Er heeft zich een internationaal team van onderzoekers ontwikkeldtechnologie die bestaande tekortkomingen kan wegnemen. Een van de auteurs van het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, heeft er vertrouwen in dat met de voorgestelde oplossing binnen 5 tot 10 jaar volwaardige datacenters op basis van DNA werkelijkheid zullen worden.
DNA als gegevensopslagsysteem
Het idee om DNA-strengen te gebruiken om gegevens op te slaandecennialang besproken. In 1988 codeerden Harvard-onderzoekers en kunstenaar Joe Davies een afbeelding van 5 bij 7 pixels van een oude Germaanse rune (in totaal 35 bits informatie) in DNA dat zich in een E. coli-bacterie bevindt. Maar dit voorbeeld was slechts een demonstratie van toekomstige mogelijkheden: de technologie was te duur en te complex.
Technisch gezien is het opslaan van data in DNA mogelijk geworden.toen Harvard-onderzoekers in 2011 een technologie ontwikkelden voor gecontroleerde DNA-synthese. Verder onderzoek op dit gebied heeft de kosten aanzienlijk verlaagd en de snelheid vergroot waarmee synthetisch DNA kan worden gemaakt dat de gewenste DNA-sequenties bevat.
Om informatie op te slaan in DNA in plaats van de gebruikelijke 0en 1, die worden gebruikt om gegevens te coderen, kunnen de basenparen "adenine - thymine" en "cytosine - guanine" worden gebruikt. In het laboratorium worden de basen in een specifieke volgorde gecombineerd om synthetische DNA-strengen te vormen.
Voordelen van DNA
Het opslaan van data in DNA heeft veel voordelen.Een DNA-bestand neemt bijvoorbeeld niet veel ruimte in beslag: door de hoge dichtheid van het molecuul is elke nucleotide, wat overeenkomt met twee bits, ongeveer 1 nm³. En een exabyte aan gegevens (1.000.000 TB), opgeslagen als DNA, past in de palm van je hand. DNA is ook extreem stabiel; de ontdekking van een bewaarde genetische code in de fossielen van oude micro-organismen en dieren is hiervan een goed voorbeeld. En bovendien vereist deze technologie geen aanzienlijke energiekosten.
Het probleem is dat als er vragen zijnOmdat bestaande oplossingen goed genoeg werken voor het schrijven van gegevens (hoewel ze relatief duur blijven), beginnen er problemen te ontstaan bij het lezen. De PCR-randomtoegangsmethode die momenteel wordt gebruikt voor het lezen is gevoelig voor een groot aantal fouten. Systemen kunnen slechts één bestand tegelijk lezen en de kwaliteit van de gegevens gaat bij elke lezing ernstig achteruit.
Het leesproces werkt als volgt:Elk gegevensbestand in DNA bevat een sequentie die aan een specifieke primer bindt. Met behulp van de polymerasekettingreactie (PCR) starten onderzoekers het proces van het synthetiseren van miljoenen kopieën van het gewenste fragment.
Hetzelfde principe werkt bijvoorbeeldtesten op coronavirus: onder invloed van een bepaalde synthetische primer komt er een kettingreactie op gang en wordt zelfs een kleine hoeveelheid virus-DNA detecteerbaar. Het probleem is dat voor het lezen van meerdere afzonderlijke bestanden meerdere primers tegelijk moeten werken, en dit leidt tot veel fouten in het kopieerproces en de vernietiging van het originele DNA.
Schaalbare technologie
Een internationaal team van onderzoekers stelt voorde methode waarvan zij denken dat deze deze beperkingen zal overwinnen is hitte-gefixeerde PCR. Wetenschappers hebben microcapsules van eiwitten en polymeren gemaakt die fungeren als afzonderlijke DNA-bestanden. Elke capsule is gekoppeld aan één gegevensbestand. Bovendien zijn ze zo ontworpen dat wanneer meerdere microcapsules worden verwarmd tot temperaturen boven 50 °C, elk van deze capsules wordt afgesloten.
Hierdoor kan het PCR-proces worden uitgelezenkomen onafhankelijk voor in elke capsule, waardoor er weinig ruimte is voor fouten. Wanneer de temperatuur normaliseert, blijft het originele bestand aan de capsule gehecht en verlaten de gekopieerde bestanden deze. Hierdoor worden de originele gegevens en het DNA niet beschadigd.
Genetici gebruikten hun nieuwe aanpakgelijktijdig lezen van 25 bestanden opgeslagen in het gesplitste DNA. De resultaten waren positief en onverwacht. Gemiddeld bedraagt het leesverlies bij thermische capsules 0,3% na drie keer lezen, vergeleken met 35% bij de huidige methode.
Microcapsules gekleurd met fluorescerende labels. Afbeelding: Tom de Greef
De tweede "innovatie" - geschilderd met speciaalgetagde catalogus. Elk bestand krijgt een fluorescerend label toegewezen en elke capsule krijgt een andere kleur. Een speciaal apparaat kan vervolgens kleuren herkennen en van elkaar scheiden, zodat het gemakkelijker wordt om informatie in een grote opslagplaats te sorteren en te doorzoeken.
De auteurs van de technologie zijn ervan overtuigd dat deze innovatiesgenoeg om een volwaardig DNA-gebaseerd datacenter te creëren. “In een deel van het gebouw zullen nieuwe bestanden worden gecodeerd met behulp van DNA-synthese. De andere bevat grote velden met capsules, elk met een apart bestand. De robotarm haalt de capsule eruit, leest de inhoud af en plaatst deze terug”, zegt een van de auteurs van het onderzoek. Het punt is klein: wachten tot de kosten van DNA-synthese nog verder zijn verlaagd, en daarvoor is één decennium genoeg, weten wetenschappers zeker.
Lees verder:
Kunstmatige intelligentie heeft vier Nazca-geogliefen gevonden - gigantische tekeningen in de woestijn
De afwezigheid van "klontjes" in het universum werd verklaard door ultralichte deeltjes van donkere materie
Ongeveer een miljard jaar duurde een dag op aarde 19 uur: onderzoekers legden uit waarom
Op de omslag: afbeelding van Freepik