Byltingarkennd rannsókn tekur verulegt skref fram á við í leitinni að þróa a DNA-undirstaða geymslukerfi fyrir stafræn gögn.
Digital gögn vex með veldishraða í dag vegna háð okkar á græjum og það krefst öflugrar langtímageymslu. Gagnageymsla er hægt og rólega að verða krefjandi vegna þess að núverandi stafræn tækni er ekki fær um að veita lausn. Sem dæmi má nefna að fleiri stafræn gögn hafa orðið til á undanförnum tveimur árum en í allri sögu tölvur, í raun er verið að búa til 2.5 quintillion bæti {1 quintillion bæti = 2,500,000 Terabytes (TB) = 2,500,000,000 Gigabytes (GB)} af gögnum á hverjum degi í heiminum. Þetta felur í sér gögn á samskiptasíðum, netbankaviðskipti, skrár yfir fyrirtæki og stofnanir, gögn frá gervihnöttum, eftirlit, rannsóknir, þróun o.fl. Þessi gögn eru gríðarstór og ómótuð. Þess vegna er það nú mikil áskorun að takast á við miklar kröfur um geymslu fyrir gögn og veldisvöxt þeirra, sérstaklega fyrir stofnanir og fyrirtæki sem þurfa öfluga langtímageymslu.
Valmöguleikarnir sem eru í boði eins og er eru harður diskur, sjóndiskar (geisladiskar), minnislyklar, flassdrif og fullkomnari spóludrif eða sjónrænir BluRay diskar sem geyma um það bil 10 terabæta (TB) af gögnum. Slík geymslutæki hafa oft marga ókosti þó þau séu notuð. Í fyrsta lagi hafa þau lágt til miðlungs geymsluþol og þau þarf að geyma við kjörhita- og rakaskilyrði til að geta enst marga áratugi og krefjast þess vegna sérhönnuð líkamleg geymslurými. Næstum allir þessir eyða miklum orku, eru fyrirferðarmiklir og óhagkvæmir og geta skemmst í einföldu falli. Sum þeirra eru mjög dýr, eru oft þjáð af gagnavillum og eru því ekki nógu öflug. Valkostur sem hefur verið almennt viðurkenndur af stofnunum er kallað tölvuský – fyrirkomulag þar sem fyrirtæki ræður í grundvallaratriðum „utan“ netþjón til að sinna öllum upplýsingatækni- og gagnageymsluþörfum sínum, kallað „skýið“. Einn helsti ókosturinn við tölvuský eru öryggis- og persónuverndarmál og varnarleysi fyrir árásum tölvuþrjóta. Það eru líka önnur mál eins og hár kostnaður sem fylgir því, takmarkað eftirlit móðurfyrirtækis og háð vettvang. Tölvuský er enn talin góður valkostur fyrir langtímageymslu. Hins vegar lítur út fyrir að stafrænu upplýsingarnar sem eru búnar til um allan heim séu vissulega að fara fram úr getu okkar til að geyma þær og enn öflugri lausnir eru nauðsynlegar til að koma til móts við þessa gagnaflóð á sama tíma og það veitir sveigjanleika til að taka tillit til framtíðar geymsluþarfa líka.
Getur DNA hjálpað við tölvugeymslu?
okkar DNA (Deoxyribonucleic acid) er talin spennandi valmiðill fyrir stafræna gagnageymslu. DNA er sjálf-afritunarefnið sem er til staðar í næstum öllum lífverum og er það sem samanstendur af erfðafræðilegum upplýsingum okkar. Gervi eða gerviefni DNA er endingargott efni sem hægt er að búa til með því að nota fákjarnamyndunarvélar sem fáanlegar eru í verslun. Helsti ávinningur DNA er langlífi þess sem a DNA endist 1000 sinnum lengur en kísill (kísilflögur - efnið sem notað er til að byggja tölvur). Ótrúlegt, bara einn rúmmillimetra af DNA getur geymt fimmtíu milljarða bæta af gögnum! DNA er líka ofurlítið efni sem brotnar aldrei niður og er hægt að geyma það á köldum, þurrum stað í hundruðir alda. Hugmyndin um að nota DNA til geymslu hefur verið til staðar lengi aftur til ársins 1994. Meginástæðan er svipaður háttur og upplýsingar eru geymdar í tölvu og í okkar DNA – þar sem bæði geyma teikningar upplýsinga. Tölva geymir öll gögn sem 0 og 1 og DNA geymir öll gögn um lifandi lífveru með því að nota basana fjóra - týmín (T), gúanín (G), adenín (A) og cýtósín (C). Þess vegna gæti DNA verið kallað staðlað geymslutæki, rétt eins og tölvu, ef hægt er að tákna þessa basa sem 0s (basar A og C) og 1s (basar T og G). DNA er sterkt og varanlegt, einfaldasta endurspeglunin er sú að erfðakóði okkar - teikning allra upplýsinga okkar sem geymdar eru í DNA - er send á skilvirkan hátt frá einni kynslóð til annarrar með endurteknum hætti. Allir hugbúnaðar- og vélbúnaðarrisar hafa mikinn áhuga á að nota tilbúið DNA til að geyma mikið magn til að ná markmiði sínu um að leysa langtíma geymslu gagna. Hugmyndin er að breyta tölvukóðanum 0s og 1s fyrst í DNA kóðann (A, C, T, G), breytti DNA kóðann er síðan notaður til að framleiða tilbúna DNA þræði sem síðan er hægt að setja í frystigeymslu. Hvenær sem þess er þörf er hægt að fjarlægja DNA þræði úr frystigeymslu og upplýsingar þeirra sem afkóða með DNA raðgreiningarvél og DNA röð eru loksins þýddar aftur á tvöfalt tölvusnið 1s og 0s til að lesa á tölvunni.
Það hefur verið sýnt1 að örfá grömm af DNA geti geymt fimmtíu milljarða bæti af gögnum og haldið þeim óskertum í allt að 2000 ár. Hins vegar hefur þessi einfaldi skilningur staðið frammi fyrir nokkrum áskorunum. Í fyrsta lagi er það frekar dýrt og líka sársaukafullt hægt að skrifa gögn í DNA þ.e. raunveruleg umbreyting 0s og 1s í DNA basana (A, T, C, G). Í öðru lagi, þegar gögnin eru „skrifuð“ á DNA, er krefjandi að finna og sækja skrár og krefst tækni sem kallast DNA raðgreining – ferli til að ákvarða nákvæma röð basa innan a DNA sameind - eftir það eru gögnin afkóðuð aftur í 0s og 1s.
Í nýlegri rannsókn2 af vísindamönnum frá Microsoft Research og University of Washington hafa náð „slembiaðgangi“ á DNA geymslu. The "random access" þáttur er mjög mikilvægur vegna þess að það þýðir að hægt er að flytja upplýsingar til eða frá stað (almennt minni) þar sem hver staðsetning, sama hvar í röðinni og hægt er að nálgast beint. Með því að nota þessa tækni með handahófskenndum aðgangi er hægt að sækja skrár úr DNA geymslu á sértækan hátt miðað við áður, þegar slík sókn krafðist þess að raða og afkóða heilt DNA gagnasafn til að finna og draga út þær fáu skrár sem maður vildi. Mikilvægi „handahófsaðgangs“ eykst enn frekar þegar gagnamagn eykst og verður mikið þar sem það dregur úr röðun sem þarf að gera. Þetta er í fyrsta skipti sem slembiaðgangur hefur verið sýndur í svo stórum stíl. Vísindamenn hafa einnig þróað reiknirit til að afkóða og endurheimta gögn á skilvirkari hátt með meira umburðarlyndi fyrir gagnavillum sem gerir raðgreiningarferlið einnig hraðari. Meira en 13 milljónir tilbúið DNA fákirni voru kóðuð í þessari rannsókn sem voru gögn af 200MB stærð sem samanstanda af 35 skrám (innihalda myndband, hljóð, myndir og texta) á bilinu 29KB til 44MB. Þessar skrár voru sóttar hver fyrir sig án villna. Einnig hafa höfundar búið til ný reiknirit sem eru öflugri og villuþolnari við að skrifa og lesa DNA raðir. Þessi rannsókn birt í Náttúru líftækni í mikilli framþróun sem sýnir hagkvæmt, stórfellt kerfi fyrir DNA geymslu og endurheimt.
DNA geymslukerfi lítur mjög aðlaðandi út vegna þess að það hefur mikla gagnaþéttleika, mikinn stöðugleika og er auðvelt að geyma það en það hefur augljóslega margar áskoranir áður en hægt er að nota það almennt. Fáir þættir eru tíma- og vinnufrek afkóðun á DNA (röðun) og einnig nýmyndun á DNA. Tæknin krefst meiri nákvæmni og víðtækari umfjöllunar. Jafnvel þó framfarir hafi náðst á þessu sviði á nákvæmlega sniði sem gögn verða geymd á til lengri tíma litið sem DNA er enn í þróun. Microsoft hefur heitið því að bæta framleiðslu á tilbúnu DNA og takast á við áskoranir til að hanna fullkomlega starfhæfa DNA geymslukerfi fyrir árið 2020.
***
{Þú getur lesið upprunalegu rannsóknarritgerðina með því að smella á DOI hlekkinn sem gefinn er upp hér að neðan á listanum yfir tilvitnaðar heimildir}
Heimildir)
1. Erlich Y og Zielinski D 2017. DNA Fountain gerir öflugan og skilvirkan geymsluarkitektúr. Vísindi. 355 (6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L o.fl. 2018. Slembiaðgangur í stórfelldri DNA gagnageymslu. Náttúrulíftækni. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
