През последните няколко години учените декодираха геномите на 700 000-годишни мамути и коне, използвайки фрагменти от ДНК, извлечени от вкаменелости. ДНК определено трае много по-дълго от организмите, за които носи генетични кодове. Компютърни учени и инженери отдавна мечтаят да се възползват от малката и устойчивост на ДНК, за да съхраняват цифрови данни. Те искат да кодират всички тези нули и единици в молекули A, C, G и T, които образуват спиралните стълби на ДНК полимера - и напредъкът в това десетилетие в ДНК синтеза и секвенирането доведе до голям пробив. Последните експерименти показаха, че един ден ще можем да кодираме цялата цифрова информация в света в няколко литра ДНК - и да я прочетем отново хиляди години по-късно.
Интересът от страна на Microsoft и други технологични компании увеличава напрежението в тази област. Миналият месец Microsoft Research заяви, че ще плати на стартиращия синтетичен биолог Twist Bioscience, за да създаде 10 милиона ДНК нишки, проектирани от компютърните учени на Microsoft за съхраняване на данни. Водещият производител на памет Micron Technology също финансира изследвания за съхранение на ДНК, за да определи дали една система с нуклеинови киселини може да разшири границите на електронната памет. Този приток на пари и лихви може постепенно да намали прекомерните разходи и да направи съхраняването на данни в ДНК възможно в рамките на десет години, казват изследователите.
Хората ще генерират над 16 трилиона гигабайта цифрови данни до 2017 г. и повечето от тях ще трябва да бъдат архивирани. Юридически, финансови и медицински данни, както и, разбира се, мултимедийни файлове. Днес данните се съхраняват на твърди дискове, оптични дискове в енергоемки центрове за данни с големината на склад. В най-добрия случай тези данни се съхраняват в продължение на тридесет години, в най-лошия - няколко. В допълнение, според компютърния архитект на Microsoft Research Карин Щраус, „Ние произвеждаме много повече данни, отколкото индустрията за съхранение може да направи, и прогнозите показват, че разликата ще се увеличи“.
Сега нека добавим ДНК към всичко това. Живее векове наред, ако се съхранява на хладно и сухо място. На теория той може да събере милиарди гигабайта данни в захарен куб. Лентата, най-плътният носител за съхранение на разположение днес, може да побере 10 гигабайта в същото количество пространство. „ДНК е невероятно плътна, трайна и нелетлива среда за съхранение“, казва Олгика Миленкович, професор по електротехника и компютърно инженерство в Университета на Илинойс в Урбана-Шампайн.
Това е така, защото всяка от четирите изграждащи молекули - аденин (A), цитозин ©, гуанин (G) и тимин (T) - заема кубичен нанометър по обем. Използвайки кодираща система - да речем, в която A представлява битовете „00“, C представлява „01“и т.н. - учените могат да вземат редовете от единици и нули, които съставят файлове с цифрови данни и да създадат ДНК верига, съдържаща моментна снимка или видеоклип. Разбира се, истинската техника на кодиране е много по-сложна, отколкото писахме тук за вас. Синтезът на дизайнерска ДНК верига е процес на записване на данни. След това учените могат да ги прочетат, като поредят веригите.
Генетикът от Харвард Джордж Чърч основава тази област на изследване през 2012 г., като кодира 70 милиарда копия на книгата - един милион гигабита - в кубичен милиметър ДНК. Година по-късно учени от Европейския институт по биоинформатика показаха, че могат да прочетат без нито една грешка 739 килобайта данни, затворени в ДНК.
Миналата година няколко екипа от учени демонстрираха напълно функциониращи системи. През август учени от ETH Zurich капсулираха синтетична ДНК в стъкло, подложени на условия, симулиращи изтичането на 2000 години, и напълно възстановиха кодираните данни. Успоредно с това Миленкович и нейните колеги съобщават, че шест американски университета са запазили страниците на Уикипедия в ДНК и - предоставяйки последователностите със специални „адреси“- избирателно четат и редактират части от писмения текст. Случайният достъп до данни е от решаващо значение, за да се избегне „последователността на цяла книга, за да се прочете само един абзац“, казва Миленкович.
През април Щраус и учените Джорд Зеелиг и Луис Цесе от Университета във Вашингтон съобщиха, че са успели да запишат три файла с изображения, всеки по няколко десетки килобайта, в 40 000 ДНК вериги, използвайки собствена схема за кодиране, и след това да ги прочетат поотделно, а не допускане на грешки. Те представиха работата си през април на конференцията на Асоциацията за електронни изчисления. С 10-те милиона струни, които Microsoft купува от Twist Bioscience, учените планират да докажат, че данните за ДНК могат да се съхраняват в много по-голям мащаб. „Нашата цел е да демонстрираме окончателна система, в която кодираме ДНК файлове, синтезираме молекули, съхраняваме ги дълго време и след това ги възстановяваме чрез секвениране на ДНК“, казва Щраус. „Започваме с ритъма и се връщаме към ритъма.“
Промоционално видео:
Производителят на паметта Micron изучава ДНК като постсилициева технология. Компанията финансира работата на учените от Църквата и университета в Айдахо за създаване на система за съхранение без грешки в ДНК. „Нарастващите разходи за съхранение ще доведат до алтернативни решения, а съхранението на ДНК е едно от най-обещаващите решения“, каза Гуртей Санду, директор на развитието на модерните технологии в Micron.
Учените все още търсят начини за намаляване на броя на грешките в кодирането и декодирането на данни. Но по-голямата част от технологията вече е налице. И така, какво ни пречи да се преместим от хранилища за данни с размер на кутия за обувки към стъклени капсули с ДНК? Разходи. „Процесът на запис е милион пъти по-скъп“, казва Seelig.
Ето защо: Създаването на ДНК включва нанизване на наноразмерни молекули една по една с висока точност - това не е лесна задача. Въпреки че цената на секвенирането спадна поради бързо нарастващото търсене на тази услуга, синтезът на ДНК нямаше подобен двигател на пазара. Миленкович плати около 150 долара, за да създаде поредица от 1000 синтезирани нуклеотида. Последователността на един милион нуклеотиди струва около цент.
Интересът към съхранението на данни от Microsoft и Micron може да е само импулсът, необходим за започване на намаляване на разходите, казва Seelig. Умното инженерство и новите технологии като микрофлуидици и нанопорно секвениране на ДНК, които помагат за намаляване и ускоряване на процеса, също ще помогнат за напредъка. Сега са нужни часове, за да се подредят няколкостотин базови двойки - и дни, за да се синтезират - с помощта на куп оборудване. Иска ми се да мога да направя всичко това в малка кутия, в противен случай предимството на плътността на съхранение ще бъде загубено.
Ако всичко върви добре, Щраус предвижда компании, предлагащи архивни услуги за съхранение на ДНК през следващото десетилетие. „Можете да отворите браузър и да качите файлове на техния сайт или да върнете байтовете си обратно, както бихте направили с облака“, казва тя. Или можете да си купите ДНК диск вместо твърд диск.
ИЛЯ ХЕЛ