Революционно проучване прави значителна стъпка към разработването на система за съхранение на цифрови данни, базирана на ДНК.
Цифровите данни нарастват с експоненциална скорост днес поради нашата зависимост от джаджи и изискват стабилно дългосрочно съхранение. Съхранението на данни бавно се превръща в предизвикателство, защото настоящите цифрови технологии не са в състояние да предложат решение. Пример за това е, че през последните две години са създадени повече цифрови данни, отколкото през цялата история на компютрите . Всъщност 2.5 квинтилиона байта {1 квинтилион байт = 2 500 000 терабайта (TB) = 2 500 000 000 гигабайта (GB)} данни се създават всеки ден по света. Това включва данни в сайтове за социални мрежи, онлайн банкови транзакции, записи на компании и организации, данни от сателити, наблюдение, изследвания, разработки и др. Тези данни са огромни и неструктурирани. Следователно сега е голямо предизвикателство да се справят с огромните изисквания за съхранение на данни и техния експоненциален растеж, особено за организации и корпорации, които се нуждаят от стабилно дългосрочно съхранение.
Достъпните опции в момента са твърд диск, оптични дискове (CD), памети, флаш устройства и по-модерните лентови устройства или оптични BluRay дискове, които съхраняват приблизително до 10 терабайта (TB) данни. Такива устройства за съхранение, въпреки че се използват обикновено, имат много недостатъци. Първо, те имат нисък до среден срок на годност и трябва да се съхраняват при идеални условия на температура и влажност, за да могат да издържат много десетилетия и по този начин изискват специално проектирани физически пространства за съхранение. Почти всички те консумират много енергия, обемисти са и непрактични и могат да се повредят при обикновено падане. Някои от тях са много скъпи, често са засегнати от грешки в данните и поради това не са достатъчно стабилни. Опция, която е универсално приета от организацията, се нарича облачни изчисления – споразумение, при което компанията основно наема „външен“ сървър за обработка на всичките си изисквания за ИТ и съхранение на данни, наричан „облак“. Един от основните недостатъци на облачните изчисления са проблемите със сигурността и поверителността и уязвимостта към атаки от хакери. Има и други проблеми, като високи разходи, ограничен контрол от страна на родителската организация и зависимост от платформата. Облачните изчисления все още се считат за добра алтернатива за дългосрочно съхранение. Изглежда обаче, че цифровата информация, която се генерира в световен мащаб, със сигурност изпреварва способността ни да я съхраняваме и са необходими още по-стабилни решения, за да се погрижим за този потоп от данни, като същевременно осигуряваме мащабируемост, за да вземем предвид и бъдещите нужди за съхранение.
Може ли ДНК да помогне в компютърното съхранение?
Нашата ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) се разглежда като вълнуваща алтернативна среда за съхранение на цифрови данни. ДНК е самовъзпроизвеждащият се материал, присъстващ в почти всички живи организми, и е това, което съставлява нашата генетична информация. Изкуствената или синтетична ДНК е издръжлив материал, който може да бъде направен с помощта на търговски достъпни машини за синтез на олигонуклеотиди. Основното предимство на ДНК е нейната дълготрайност, тъй като тя издържа 1000 пъти по-дълго от силиция (силициев чип - материалът, използван за изграждане на компютри ). Удивително е, че само един кубичен милиметър ДНК може да побере квинтилион байта данни! ДНК е също така ултракомпактен материал, който никога не се разгражда и може да се съхранява на хладно и сухо място в продължение на стотици векове. Идеята за използване на ДНК за съхранение съществува отдавна, още от 1994 г. Основната причина е сходният начин, по който информацията се съхранява в компютъра и в нашата ДНК - тъй като и двете съхраняват чертежите на информацията. Компютърът съхранява всички данни като 0 и 1, а ДНК съхранява всички данни на живия организъм, използвайки четирите бази – тимин (T), гуанин (G), аденин (A) и цитозин (C). Следователно, ДНК може да се нарече стандартно устройство за съхранение, точно както компютър, ако тези бази могат да бъдат представени като 0 (бази A и C) и 1 (бази T и G). ДНК е издръжлива и дълготрайна, като най-простото отражение е, че нашият генетичен код – планът на цялата ни информация, съхранявана в ДНК – се предава ефективно от едно поколение на следващо по многократен начин. Всички софтуерни и хардуерни гиганти са склонни да използват синтетична ДНК за съхранение на огромни количества, за да постигнат целта си за решаване на дългосрочно архивиране на данни. Идеята е първо да се преобразуват компютърните 0 и 1 в ДНК кода (A, C, T, G), след което преобразуваният ДНК код се използва за производство на синтетични нишки ДНК, които след това могат да се съхраняват в студено съхранение. Винаги, когато е необходимо, ДНК веригите могат да бъдат извадени от хладилно хранилище и информацията за тях да бъде декодирана с помощта на машина за секвениране на ДНК, като ДНК последователността най-накрая се превежда обратно в двоичен компютърен формат от 1 и 0, за да бъде прочетена на компютъра.
Доказано е 1 , че само няколко грама ДНК могат да съхраняват квинтилион байта данни и да ги запазят непокътнати до 2000 години. Това просто разбиране обаче се сблъсква с някои предизвикателства. Първо, записването на данни в ДНК е доста скъпо и също така болезнено бавно, т.е. действителното преобразуване на 0 и 1 в ДНК базите (A, T, C, G). Второ, след като данните бъдат „записани“ върху ДНК, е трудно да се намерят и извлекат файлове и това изисква техника, наречена ДНК секвениране – процес на определяне на точния ред на базите в ДНК молекулата – след което данните се декодират обратно до 0 и 1.
Скорошно проучване2 от учени от Microsoft Research и Университета във Вашингтон постигна „произволен достъп“ при съхранение на ДНК. Аспектът „произволен достъп“ е много важен, защото означава, че информацията може да бъде прехвърляна до или от място (обикновено памет), където всяко място, независимо къде се намира в последователността, може да бъде достъпно директно. Използвайки тази техника на произволен достъп, файловете могат да бъдат извличани от хранилището за ДНК по селективен начин, в сравнение с преди, когато подобно извличане изискваше необходимостта от секвениране и декодиране на цял набор от ДНК данни, за да се намерят и извлекат малкото желани файлове. Значението на „произволен достъп“ се повишава допълнително, когато количеството данни се увеличава и става огромно, тъй като намалява количеството секвениране, което трябва да се извърши. За първи път произволен достъп е демонстриран в толкова голям мащаб. Изследователите също така са разработили алгоритъм за по-ефективно декодиране и възстановяване на данни с по-голяма толерантност към грешки в данните, което прави процедурата по секвениране и по-бърза. В това проучване са кодирани над 13 милиона синтетични ДНК олигонуклеотиди, представляващи данни с размер 200MB, състоящи се от 35 файла (съдържащи видео, аудио, изображения и текст) с размер от 29KB до 44MB. Тези файлове са извлечени поотделно без грешки. Също така, авторите са разработили нови алгоритми, които са по-стабилни и устойчиви на грешки при записване и четене на ДНК последователности. Това проучване, публикувано в Nature Biotechnology, е важен напредък, показващ жизнеспособна, мащабна система за съхранение и извличане на ДНК.
Системата за съхранение на ДНК изглежда много привлекателна, защото има висока плътност на данните, висока стабилност и е лесна за съхранение, но очевидно е изправена пред много предизвикателства, преди да може да бъде универсално възприета. Няколко фактора са времеемкото и трудоемкото декодиране на ДНК (секвениране), както и синтезът на ДНК . Техниката изисква по-голяма точност и по-широко покритие. Въпреки че е постигнат напредък в тази област, точният формат, в който данните ще се съхраняват в дългосрочен план, тъй като ДНК, все още се развива. Microsoft обеща да подобри производството на синтетична ДНК и да се справи с предизвикателствата, за да проектира напълно функционираща система за съхранение на ДНК до 2020 г.
***
Източник (и)
1. Erlich Y и Zielinski D 2017. ДНК фонтанът позволява стабилна и ефективна архитектура за съхранение. Science. 355(6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L et al. 2018. Случаен достъп при съхранение на ДНК данни в голям мащаб. Nature Biotechnology. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
***
