Проривне дослідження робить значний крок у розробці системи зберігання цифрових даних на основі ДНК .
Цифрові дані сьогодні зростають експоненціально через нашу залежність від гаджетів, і це вимагає надійного довгострокового зберігання. Зберігання даних поступово стає складним завданням, оскільки сучасні цифрові технології не здатні забезпечити рішення. Прикладом є те, що за останні два роки було створено більше цифрових даних, ніж за всю історію комп'ютерів , фактично 2.5 квінтильйона байт {1 квінтильйон байт = 2 500 000 терабайт (ТБ) = 2 500 000 000 гігабайт (ГБ)} даних створюється щодня у світі. Це включає дані на сайтах соціальних мереж, транзакції онлайн-банкінгу, записи компаній та організацій, дані із супутників, спостереження, досліджень, розробок тощо. Ці дані величезні та неструктуровані. Тому зараз великим викликом є вирішення величезних потреб у зберіганні даних та їх експоненціальне зростання, особливо для організацій та корпорацій, яким потрібне надійне довгострокове зберігання.
На даний момент доступні варіанти: жорсткий диск, оптичні диски (CD), карти пам’яті, флеш-накопичувачі та більш просунуті стрічкові накопичувачі або оптичні диски BluRay, які зберігають приблизно до 10 терабайт (ТБ) даних. Такі запам'ятовуючі пристрої, хоча і використовуються зазвичай, мають багато недоліків. По-перше, вони мають низький або середній термін зберігання, і вони повинні зберігатися при ідеальних умовах температури та вологості, щоб вони могли прослужити багато десятиліть і, таким чином, вимагали спеціально розроблених фізичних місць для зберігання. Майже всі вони споживають багато енергії, громіздкі та непрактичні та можуть бути пошкоджені при простому падінні. Деякі з них дуже дорогі, часто стикаються з помилками даних і, отже, недостатньо надійні. Варіант, який був загальноприйнятий організацією, називається хмарними обчисленнями – домовленістю, за якою компанія в основному наймає «зовнішній» сервер для обробки всіх своїх вимог до ІТ та зберігання даних, який називають «хмарою». Одним з основних недоліків хмарних обчислень є проблеми з безпекою та конфіденційністю, а також вразливість до атак з боку хакерів. Існують також інші проблеми, такі як високі витрати, обмежений контроль з боку батьківської організації та залежність від платформи. Хмарні обчислення все ще вважаються хорошою альтернативою для довготривалого зберігання. Однак схоже, що цифрова інформація, яка генерується в усьому світі, безперечно перевершує нашу здатність зберігати її, і потрібні ще більш надійні рішення, щоб задовольнити цей потік даних, забезпечуючи масштабованість, щоб також враховувати майбутні потреби в сховищі.
Чи може ДНК допомогти у сховищі комп’ютера?
Наша ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) розглядається як захопливий альтернативний носій для зберігання цифрових даних. ДНК – це самовідтворюваний матеріал, присутній майже у всіх живих організмах, і саме він становить нашу генетичну інформацію. Штучна або синтетична ДНК – це міцний матеріал, який можна виготовити за допомогою комерційно доступних машин для синтезу олігонуклеотидів. Основною перевагою ДНК є її довговічність, оскільки вона служить у 1000 разів довше, ніж кремній (кремнієвий чіп – матеріал, що використовується для створення комп'ютерів ). Дивовижно, але лише один кубічний міліметр ДНК може вмістити квінтильйон байтів даних! ДНК також є ультракомпактним матеріалом, який ніколи не руйнується і може зберігатися в прохолодному, сухому місці протягом сотень століть. Ідея використання ДНК для зберігання існує вже давно, ще з 1994 року. Основна причина полягає в подібному способі зберігання інформації в комп'ютері та в нашій ДНК , оскільки обидва зберігають креслення інформації. Комп'ютер зберігає всі дані як 0 та 1, а ДНК зберігає всі дані живого організму, використовуючи чотири основи – тимін (T), гуанін (G), аденін (A) та цитозин (C). Отже, ДНК можна назвати стандартним пристроєм зберігання, як і комп'ютер, якщо ці основи можна представити як 0 (основи A та C) та 1 (основи T та G). ДНК є міцною та довговічною, найпростішим відображенням чого є те, що наш генетичний код – основа всієї нашої інформації, що зберігається в ДНК – ефективно передається від одного покоління до наступного багаторазовим чином. Усі програмні та апаратні гіганти прагнуть використовувати синтетичну ДНК для зберігання величезних обсягів даних, щоб досягти своєї мети – вирішення проблеми довгострокового архівування даних. Ідея полягає в тому, щоб спочатку перетворити комп'ютерний код 0 та 1 у код ДНК (A, C, T, G), а потім перетворений код ДНК використовується для створення синтетичних ниток ДНК, які потім можна зберігати в холодному сховищі. За потреби, ланцюги ДНК можна вийняти з холодного сховища, а їхню інформацію розшифрувати за допомогою машини для секвенування ДНК, після чого послідовність ДНК нарешті перевести назад у двійковий комп'ютерний формат одиниць та нулів для зчитування на комп'ютері.
Було показано1 , що лише кілька грамів ДНК можуть зберігати квінтильйон байтів даних і зберігати їх цілісними до 2000 років. Однак це просте розуміння зіткнулося з деякими труднощами. По-перше, запис даних на ДНК, тобто фактичне перетворення 0 та 1 на основи ДНК (A, T, C, G), є досить дорогим і надзвичайно повільним. По-друге, після того, як дані «записано» на ДНК, знайти та отримати файли складно, і це вимагає методу, який називається секвенуванням ДНК – процес визначення точного порядку основ у молекулі ДНК , після якого дані декодуються назад до 0 та 1.
Нещодавнє дослідження2 , проведене вченими з Microsoft Research та Вашингтонського університету, показало «випадковий доступ» до сховища ДНК. Аспект «випадкового доступу» дуже важливий, оскільки він означає, що інформацію можна передавати в певне місце (зазвичай пам'ять) або з нього, де кожне місце, незалежно від його розташування в послідовності, може бути доступне безпосередньо. Використовуючи цю техніку випадкового доступу, файли можна витягувати зі сховища ДНК вибірковим чином, порівняно з попереднім періодом, коли для такого пошуку потрібно було секвенувати та декодувати весь набір даних ДНК, щоб знайти та витягти лише кілька потрібних файлів. Важливість «випадкового доступу» ще більше зростає, коли обсяг даних збільшується та стає величезним, оскільки це зменшує обсяг секвенування, який необхідно виконати. Вперше випадковий доступ було продемонстровано в такому великому масштабі. Дослідники також розробили алгоритм для ефективнішого декодування та відновлення даних з більшою стійкістю до помилок даних, що також пришвидшує процедуру секвенування. У цьому дослідженні було закодовано понад 13 мільйонів синтетичних олігонуклеотидів ДНК, що становили 200 МБ даних, що складалися з 35 файлів (що містять відео, аудіо, зображення та текст) розміром від 29 КБ до 44 МБ. Ці файли були отримані окремо без помилок. Крім того, автори розробили нові алгоритми, які є більш надійними та стійкими до помилок при записі та зчитуванні послідовностей ДНК. Це дослідження, опубліковане в Nature Biotechnology, є важливим проривом, демонструючи життєздатну великомасштабну систему для зберігання та пошуку ДНК.
Система зберігання ДНК виглядає дуже привабливо, оскільки вона має високу щільність даних, високу стабільність і просту у зберіганні, але, очевидно, вона має багато труднощів, перш ніж може бути повсюдно прийнята. Кілька факторів - це трудомістке та трудомістке декодування ДНК (секвенування), а також синтез ДНК . Ця техніка вимагає більшої точності та ширшого охоплення. Незважаючи на те, що в цій галузі досягнуто певних успіхів, точний формат, у якому дані будуть зберігатися в довгостроковій перспективі, оскільки ДНК все ще розвивається. Microsoft пообіцяла покращити виробництво синтетичної ДНК та вирішити ці проблеми, щоб розробити повноцінно функціональну систему зберігання ДНК до 2020 року.
***
Джерела
1. Ерліх Й. та Зіелінскі Д. 2017. Фонтан ДНК забезпечує надійну та ефективну архітектуру сховища. Science. 355(6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L та ін. 2018. Випадковий доступ у великомасштабному сховищі даних ДНК. Nature Biotechnology. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
***
