DNA je pevný disk budoucnosti

Lidstvo je skvělé ve vytváření věcí, ale je tu jedna věc, kterou náš druh vytváří víc než cokoli jiného: informace.

Studie z roku 2013 dospěla k závěru, že 90 procent všech světových dat bylo vytvořeno v předchozích dvou letech, a přesto se toto množství zdá ve srovnání s nedávnými roky stále malé. V roce 2017 bylo vytvořeno 26 zettabajtů (jeden zettabajt = miliarda terabajtů) dat, což je více než všeho, co bylo vytvořeno v letech 2010-2013 dohromady.

Podle a zpráva zveřejněná v roce 2019, každý den sdílíme 95 milionů fotografií a videí na Instagramu, zveřejňujeme 500 milionů tweetů na Twitteru a posíláme 294 miliard e-mailů. I když se internet může zdát éterický, všechna tato data musí být uložena fyzicky na pevných discích a serverech po celém světě. Problém je v tom, že tato tradiční média pro ukládání dat pravděpodobně nedokážou držet krok s očekávanou záplavou dat v nadcházejícím desetiletí.

jaké je řešení? Pevným diskem budoucnosti může být ve skutečnosti něco velmi starého, něco, co je uvnitř každého člověka, který toto čte: DNA.

Návod k použití přírody

Deoxyribonukleová kyselina neboli DNA je molekula, která určuje, jak se organismus vyvíjí. Molekula DNA obsahuje čtyři dusíkové báze – adenin (A), thymin (T), guanin (G) a cytosin (C) – a sekvenci z těchto základů tvoří pokyny pro to, jak by se buňky měly vyvíjet, ovlivňující věci, jako je barva vlasů a očí, výška atd na. DNA je v podstatě návod na stavbu těla.

DNA může také obsahovat ohromující množství informací: 215 petabajtů (1 petabajt je asi 100 milionů gigabajtů) dat na jeden gram. Stejně působivá je i jeho životnost. Tradiční média jako magnetická páska a flash paměti mají tendenci degradovat, ať už opakovaným používáním nebo jednoduše časem. DNA degraduje také, ale výrazně pomaleji: V závislosti na podmínkách skladování může trvat tisíce nebo dokonce desítky tisíc let.

Není tedy žádným překvapením, že výzkumníci vidí přírodní úložný systém jako nádobu pro neutuchající proud informací světa.

„Už se to skoro uzavírá,“ říká Hyunjun Park, generální ředitel společnosti Catalog, která buduje platformu pro ukládání založené na DNA. "Vracíme se k přírodě, abychom získali inspiraci k vývoji tohoto média."

Katalog je jednou ze společností na pokraji této technologie a buduje úložnou platformu založenou na DNA, která dokáže pojmout stále větší soubory 5G, éra vysokého rozlišení.

Úžasný potenciál za děsivou cenu

Myšlenku ukládání dat o DNA navrhl již v 60. letech sovětský vědec Michail Neiman. V následujících desetiletích vědci udělali velké pokroky, aby to skutečně dělali, ale objevily se významné překážky.

„Překážkou, která brání tomu, aby se tato technologie dostala do hlavního proudu,“ vysvětluje Park, „byl fakt, že je opravdu drahé a pomalé ukládat spoustu informací.“

Podle studie zveřejněná v roce 2018, nákladově nejefektivnější technika úložiště DNA v té době stála přibližně 3 500 USD za MB na zápis dat a 1 000 USD za MB na jejich čtení, takže disk SSD ještě nevyřazujte.

Katalog si klade za cíl snížit náklady na skladování DNA vytvořením toho, co přirovnávají k tiskařskému lisu, revoluční zařízení, které k rychlému tisku využívalo vyměnitelné bloky písmen potažené inkoustem stránky.

„Jak se to dělalo dříve,“ vysvětluje Park, je, že základy DNA – ATCG – by mohly být použity k „reprezentaci jakéhokoli dlouhého řetězce 1s a 0s, protože to jsou data, která se snažíte zapsat. Ale problém s tímto přístupem je, že každý základní pár, který přidáváte, stojí a je časově náročný."

V metodě tiskového stroje Katalogu jsou dřevěné bloky „bloky molekul DNA, které jsme předem syntetizovali, ale ve velkém množství. Ve světě DNA,“ vysvětluje, „pokud se snažíte syntetizovat velké množství jen několika různých molekul – řekněme řádově 100 – je to opravdu levné a snadno proveditelné.

„Ale pokud se snažíte syntetizovat velmi malá množství milionu různých molekul,“ pokračuje, „je to opravdu drahé a pomalé. Odebíráme tyto větší bloky, které jsme vyrobili ve velkém množství, a používáme tiskárnu, kterou jsme vyvinuli, abychom je uspořádali do různé kombinace a spojíme je dohromady, takže získáme tuto obrovskou škálu různých molekul, které pak můžeme připsat různé informace pro.”

Vybudování lepšího počítače prostřednictvím přírody

Zatímco schopnosti úložiště DNA jsou zajímavé, Park je také nadšený z jeho potenciálu pro výpočetní techniku. Po celá léta počítače zhruba sledovaly cestu stanovenou Moorovým zákonem, který uváděl, že každé dva roky můžeme zdvojnásobit počet tranzistorů, které se vejdou na počítačový čip. Počítačové čipy se však v dnešní době staly tak malými, že je stále nepravděpodobnější, že tam budeme moci nadále vtlačovat více tranzistorů. V podstatě, Moorův zákon je mrtvýnebo alespoň v hospici.

Lidská potřeba stále větších počítačů je však živá, a tak se výzkumníci předhánějí ve vývoji nových druhů počítačů (kvantové počítače, například). Jednou z možností je počítač založený na DNA.

„Myslíme si, že jakmile budete mít data v DNA, můžeme použít enzymy a další molekuly DNA k výpočtu těchto dat,“ říká Park, „a to je vysoce účinný, extrémně paralelní způsob, jak s těmito daty počítat. Nebude to pro všechny každodenní aplikace nebo všechny výpočetní problémy, ale pro sadu Pokud jde o problémy, které jsou pro společnost stále důležitější, myslíme si, že DNA bude skvělý způsob, jak postupovat to."

Park říká, že počítače DNA by byly vhodné pro problémy, kde máte obrovské množství dat, ale výpočty, které potřebujete, nejsou příliš složité. Jako příklad si představuje scénář, kdy někdo potřebuje pročesat exabajty dat ze sčítání.

"Chcete být schopni rychle prohledávat to všechno současně a přijít na jména lidí." které splňují určitý soubor kritérií, jako je určitý věkový rozsah nebo rozsah příjmů nebo zeměpisná oblast,“ řekl říká. „Abyste to na tradičním počítači mohli procházet všemi exabajty, které jste nasbírali po celá desetiletí, museli byste si přečíst magnetickou pásku který byl uložen v chladném úložišti… pak na něm počítejte v blocích, které se vejdou do paměti, a poté v blocích, které se vejdou do procesorové jednotky, a to v sérii způsob. Pokud to máte v DNA, objem by byl opravdu malý kvůli informační hustotě DNA, a tak byste připojili několik sond, které se vážou na charakteristiku, kterou hledáte pro."

Revoluce na obzoru

Kdy byste se tedy měli připravit na to, že vyřadíte své současné vybavení a nahradíte jej bio-organickými součástmi počítače? Pravděpodobně ne v dohledné době.

"Myslím, že v dohledné budoucnosti," říká Park, "proces psaní, kdy převádíte digitální data na DNA, probíhá ve specializovaných zařízeních." údaje o DNA zařízení budou uchovávat data založená na DNA, ke kterým mohou lidé přistupovat jako k tradičnímu serveru, ačkoli navrhuje, aby lidé mohli získat kopie svých dat při testování trubky.

Ukládání a výpočetní technika na bázi DNA zatím pravděpodobně nebudou nápadnou součástí každodenního života, ale něčím, co by mohlo mít obrovský dopad na celkový pohled na lidstvo.