DNA on tuleviku kõvaketas

Inimkond on suurepärane asjade loomisel, kuid on üks asi, mida meie liik loob rohkem kui peaaegu midagi muud: teavet.

Aastal 2013 jõudis uuring järeldusele, et 90 protsenti kõigist maailma andmetest on genereeritud kahe eelneva aasta jooksul, kuid see kogus tundub siiski viimaste aastatega võrreldes väike. 2017. aastal loodi 26 zettabaiti (üks zettabait = miljard terabaiti) andmemahtu, mis on rohkem kui kõike, mis aastatel 2010–2013 kokku loodi.

Vastavalt a 2019. aastal avaldatud aruanne, jagame iga päev Instagramis 95 miljonit fotot ja videot, postitame Twitterisse 500 miljonit säutsu ja saadame 294 miljardit meili. Kuigi Internet võib tunduda eeterlik, tuleb kõik need andmed salvestada füüsiliselt, kõvaketastel ja serverites üle kogu maailma. Probleem on selles, et need traditsioonilised andmesalvestuskandjad ei suuda tõenäoliselt järgmise kümnendi oodatava andmetulvaga sammu pidada.

Mis on lahendus? Tuleviku kõvaketas võib tegelikult olla midagi väga vana, midagi, mis on iga inimese sees, kes seda loeb: DNA.

Looduse kasutusjuhend

Desoksüribonukleiinhape ehk DNA on molekul, mis määrab, kuidas organism areneb. DNA molekul sisaldab nelja lämmastiku alust – adeniini (A), tümiini (T), guaniini (G) ja tsütosiini (C) – ja järjestust Nendest alustest moodustavad juhised selle kohta, kuidas rakud peaksid arenema, mõjutades selliseid asju nagu juuste ja silmade värv, pikkus jne peal. DNA on sisuliselt keha ehitamise juhend.

DNA mahutab ka hämmastavalt palju teavet: 215 petabaiti (1 petabait on umbes 100 miljonit gigabaiti) andmeid ühe grammi kohta. Sama muljetavaldav on selle pikaealisus. Traditsioonilised andmekandjad, nagu magnetlint ja välkmälu, kipuvad halvenema kas korduva kasutamise või lihtsalt aja jooksul. Ka DNA laguneb, kuid oluliselt aeglasemalt: olenevalt säilitustingimustest võib see kesta tuhandeid või isegi kümneid tuhandeid aastaid.

Seetõttu pole üllatav, et teadlased näevad looduse salvestussüsteemi maailma halastamatu teabevoo anumana.

"See on peaaegu täis saamas," ütleb Hyunjun Park, DNA-põhise salvestamise platvormi ehitava ettevõtte Catalog tegevjuht. "Läheme tagasi loodusesse, et saada inspiratsiooni selle meediumi arendamiseks."

Catalog on üks selle tehnoloogia tipptasemel ettevõtteid, kes loob DNA-põhise salvestusplatvormi, mis mahutab järjest suuremaid faile. 5G, kõrglahutusega ajastu.

Imeline potentsiaal painajaliku hinnaga

DNA andmete salvestamise idee pakkus välja 60ndatel Nõukogude teadlane Mihhail Neiman. Sellest ajast möödunud aastakümnete jooksul on teadlased teinud suuri edusamme, kuid on olnud olulisi takistusi.

Park selgitab, et "pudelikael, mis on takistanud sellel tehnoloogial levimast, oli tõsiasi, et suure teabe salvestamine on tõesti kallis ja aeglane."

Vastavalt 2018. aastal avaldatud uuring, maksis tol ajal kõige kuluefektiivsem DNA-salvestustehnika andmete kirjutamiseks umbes 3500 dollarit MB kohta ja lugemise eest 1000 dollarit MB kohta, nii et ärge pange oma pooljuhtketast veel välja.

Kataloogi eesmärk on vähendada DNA säilitamise kulusid, luues selle, mida võrreldakse trükipressiga, revolutsiooniline seade, mis kasutas kiireks printimiseks vahetatavaid tindiga kaetud täheplokke lehekülgi.

Park selgitab, et "seda tehti varem," selgitab Park, et DNA – ATCG – aluseid saab kasutada "mis tahes pikkade 1-de ja 0-de jada esindamiseks, sest just neid andmeid proovite kirjutada. Kuid selle lähenemisviisi probleem on see, et iga lisatav aluspaar on kulukas ja aeganõudev.

Kataloogi trükipressi meetodi puhul on puiduplokid "DNA molekulide plokid, mille me eelnevalt sünteesisime, kuid suurtes kogustes. DNA maailmas, " selgitab ta, "kui proovite sünteesida suures koguses vaid mõnda erinevat molekuli – näiteks suurusjärgus 100 – on see tõesti odav ja lihtne teha.

"Aga kui proovite sünteesida väga väikeses koguses miljonit erinevat molekuli," jätkab ta, "see on tõesti kallis ja aeglane. Võtame need suuremad plokid, mida oleme suures koguses valmistanud, ja kasutame nende paigutamiseks väljatöötatud printerit erinevaid kombinatsioone ja ühendage need kokku, et saaksime selle tohutu hulga erinevaid molekule, mida saame siis omistada erinevatele teavet."

Looduse kaudu parema arvuti ehitamine

Kuigi DNA salvestusvõimalused on intrigeerivad, tunneb Park põnevust ka selle andmetöötluse potentsiaalist. Arvutid järgisid aastaid laias laastus Moore'i seaduses ette nähtud teed, mis väitis, et iga kahe aasta järel võime kahekordistada arvutikiibile mahtuvate transistoride arvu. Arvutikiibid on aga tänapäeval muutunud nii väikeseks, et on üha ebatõenäolisem, et suudame sinna rohkem transistore pigistada. sisuliselt Moore'i seadus on surnudvõi vähemalt hospiitsis.

Inimkonna vajadus üha suuremate arvutite järele on aga elav ja seetõttu püüavad teadlased välja töötada uusi arvuteid (kvantarvutid, näiteks). DNA-põhine arvuti on üks võimalus.

"Arvame, et kui teil on DNA-s andmed olemas, saame nende andmete arvutamiseks kasutada ensüüme ja muid DNA molekule," ütleb Park, "ja see on väga tõhus ja väga paralleelne viis nende andmete arvutamiseks. See ei ole mõeldud kõigile igapäevastele rakendustele ega kõikidele arvutusprobleemidele, vaid hulgale probleemid, mis muutuvad ühiskonna jaoks üha olulisemaks, on meie arvates DNA suurepärane lahendus seda.”

Park ütleb, et DNA-arvutid sobiksid hästi probleemide lahendamiseks, kus teil on suur hulk andmeid, kuid arvutused, mida peate tegema, pole liiga keerulised. Näitena kujutab ta ette stsenaariumi, kus kellelgi on vaja läbi kammida eksabaite loendusandmeid.

"Tahad, et saaksite kõike seda korraga kiiresti otsida ja inimeste nimesid välja mõelda mis vastavad teatud kriteeriumidele, nagu teatud vanusevahemik või sissetulekute vahemik või geograafiline piirkond,“ ta ütleb. "Selleks, et seda teha traditsioonilises arvutis, et saaksite läbida kõik aastakümnete jooksul kogutud eksabaidid, peate magnetlindi tagasi lugema mis on seisnud külmhoones … siis arvutage see plokkidena, mis mahuvad mällu, ja seejärel plokkidena, mis sobivad töötlusüksusesse, ja tehke seda jadavormingus viisil. Kui teil on see DNA-s, oleks see maht väga väike DNA teabetiheduse tõttu, ja nii kaotaksite mõned proovid, mis seostuvad teie otsitava tunnusega eest.”

Revolutsioon silmapiiril

Niisiis, millal peaksite valmistuma oma praeguse varustuse väljaviskamiseks ja asendama selle bioorgaaniliste arvutiosadega? Ilmselt mitte niipea.

"Ma arvan, et lähitulevikus toimub kirjutamisprotsess, mille käigus teisendate digitaalsed andmed DNA-ks, spetsialiseeritud rajatistes, " ütleb Park. DNA andmed rajatistes asuvad DNA-põhised andmed, millele inimesed pääsevad juurde nagu traditsioonilisele serverile, kuigi ta soovitab, et inimesed saaksid testis oma andmetest koopiaid hankida. torud.

Praegu ei ole DNA-põhine salvestamine ja andmetöötlus tõenäoliselt igapäevaelu märgatav osa, vaid midagi, mis võib inimkonna üldpildile tohutult mõjutada.