ADN-ul este hard diskul viitorului

Omenirea este grozavă în a crea lucruri, dar există un lucru pe care specia noastră îl creează mai mult decât aproape orice altceva: informații.

În 2013, un studiu a concluzionat că 90% din toate datele lumii au fost generate în ultimii doi ani și, totuși, această cantitate pare încă mică în comparație cu ultimii ani. În 2017, s-au creat 26 zettabytes (un zettabyte = un miliard de terabytes) de date, ceea ce este mai mult decât tot ceea ce a fost creat în anii 2010-2013 combinați.

Potrivit unui raport publicat în 2019, în fiecare zi partajăm 95 de milioane de fotografii și videoclipuri pe Instagram, postăm 500 de milioane de tweet-uri pe Twitter și trimitem 294 de miliarde de e-mailuri. În timp ce internetul poate părea eteric, toate aceste date trebuie să fie stocate fizic, pe hard disk-uri și servere din întreaga lume. Problema este că acele medii tradiționale de stocare a datelor probabil nu pot ține pasul cu fluxul de date așteptat în următorul deceniu.

Care este soluția? Hard disk-ul viitorului ar putea fi de fapt ceva foarte vechi, ceva care se află în interiorul fiecărei persoane care citește asta: ADN.

Manualul de instrucțiuni al naturii

Acidul dezoxiribonucleic sau ADN-ul este molecula care dictează modul în care se dezvoltă un organism. O moleculă de ADN conține patru baze de azot - adenină (A), timină (T), guanină (G) și citozină (C) - și secvența dintre aceste baze formează instrucțiuni despre cum ar trebui să se dezvolte celulele, influențând lucruri precum culoarea părului și a ochilor, înălțimea și așa mai departe pe. ADN-ul este în esență manualul de instrucțiuni pentru construirea unui corp.

ADN-ul poate deține, de asemenea, o cantitate uluitoare de informații: 215 petaocteți (1 petaoctet înseamnă aproximativ 100 de milioane de gigaocteți) de date pe un singur gram. La fel de impresionantă este longevitatea sa. Mediile tradiționale, cum ar fi banda magnetică și memoria flash, tind să se degradeze, fie prin utilizarea repetată, fie prin timp. ADN-ul se degradează, de asemenea, dar într-un ritm semnificativ mai lent: în funcție de condițiile de depozitare, poate dura mii sau chiar zeci de mii de ani.

Nu este, așadar, o surpriză că cercetătorii văd sistemul de stocare al naturii ca un vas pentru fluxul necruțător de informații din lume.

„Aproape se încheie cercul”, spune Hyunjun Park, CEO al Catalog, o companie care construiește o platformă pentru stocarea bazată pe ADN. „Ne întoarcem la natură pentru a obține inspirația pentru a dezvolta acest mediu.”

Catalog este una dintre companiile aflate la vârful acestei tehnologii, construind o platformă de stocare bazată pe ADN, care poate găzdui fișierele din ce în ce mai mari ale 5G, era înaltă definiție.

Potențial minunat la un preț de coșmar

Ideea stocării datelor despre ADN a fost propusă încă din anii '60 de omul de știință sovietic Mihail Neiman. În deceniile care au trecut, cercetătorii au făcut progrese mari în a face acest lucru, totuși au existat obstacole semnificative.

„Gâtul de sticlă care a împiedicat această tehnologie să se generalizeze”, explică Park, „a fost faptul că este cu adevărat costisitoare și lent să stocați o mulțime de informații.”

Conform un studiu publicat în 2018, cea mai rentabilă tehnică de stocare a ADN-ului la momentul respectiv costa aproximativ 3.500 USD per MB pentru a scrie datele și 1.000 USD per MB pentru a le citi, așa că nu vă retrageți încă unitatea SSD.

Catalog își propune să reducă costul stocării ADN-ului, creând ceea ce se compară cu o mașină de tipar, dispozitivul revoluționar care folosea blocuri de litere interschimbabile, acoperite cu cerneală, pentru a imprima rapid pagini.

„Modul în care s-a procedat înainte”, explică Park, este că bazele ADN-ului – ATCG – ar putea fi folosite pentru a „reprezenta orice șir lung de 1 și 0, pentru că acestea sunt datele pe care încercați să le scrieți. Dar problema acestei abordări este că fiecare pereche de baze pe care o adaugi are un cost și necesită timp.”

În metoda tiparului Catalog, blocurile de lemn sunt „blocuri de molecule de ADN pe care le-am presintetizat, dar în cantități mari. În lumea ADN-ului”, explică el, „dacă încercați să sintetizați cantități mari din doar câteva molecule diferite – să zicem, de ordinul a 100 – este foarte ieftin și ușor de făcut.

„Dar dacă încerci să sintetizați cantități foarte mici de un milion de molecule diferite”, continuă el, „este foarte scump și lent. Luăm aceste blocuri mai mari pe care le-am făcut în cantități mari și folosim imprimanta pe care am dezvoltat-o ​​pentru a le aranja în diferite combinații și atașați-le împreună, astfel încât să obținem această varietate uriașă de molecule diferite pe care apoi le putem atribui diferite informații către.”

Construirea unui computer mai bun prin natură

În timp ce capacitățile de stocare ale DNA sunt intrigante, Park este, de asemenea, încântat de potențialul său de calcul. Ani de zile, calculatoarele au urmat aproximativ calea stabilită de Legea lui Moore, care spunea că la fiecare doi ani sau cam asa ceva, am putea dubla numărul de tranzistori care se potrivesc pe un cip de computer. Cu toate acestea, cipurile de computer au devenit atât de mici în aceste zile încât este din ce în ce mai puțin probabil să putem continua să stoarcem mai mulți tranzistori acolo. In esenta, Legea lui Moore a murit, sau cel puțin într-un ospiciu.

Nevoia omenirii de calculatoare din ce în ce mai mari este totuși vie, așa că cercetătorii se întrec pentru a dezvolta noi rase de computere (calculatoare cuantice, de exemplu). Un computer bazat pe ADN este o posibilitate.

„Credem că odată ce aveți date în ADN, putem folosi enzime și alte molecule de ADN pentru a calcula aceste date”, spune Park, „și acesta este un mod extrem de eficient, extrem de paralel, de a calcula pe acele date. Nu va fi pentru toate aplicațiile de zi cu zi sau pentru toate problemele de calcul, ci pentru un set de probleme care devin din ce în ce mai importante pentru societate, credem că ADN-ul va fi o modalitate excelentă de a rezolva aceasta."

Park spune că computerele ADN ar fi potrivite pentru problemele în care aveți o cantitate mare de date, dar calculele pe care trebuie să le faceți nu sunt prea complexe. Ca exemplu, el își imaginează un scenariu în care cineva trebuie să parcurgă exaocteți de date de recensământ.

„Vrei să poți căuta rapid prin toate acestea simultan și să găsești numele persoanelor care îndeplinesc un anumit set de criterii, cum ar fi un anumit interval de vârstă sau un interval de venit sau o regiune geografică”, el spune. „Pentru a face asta într-un computer tradițional, pentru a putea parcurge toți exaocteții pe care i-ați adunat de zeci de ani, ar trebui să citiți înapoi banda magnetică. care a stat într-un depozit frigorific... apoi calculați pe el în blocuri care se potrivesc în memorie, apoi în blocuri care se potrivesc în unitatea de procesare și faceți asta într-o serie manieră. Dacă îl aveți în ADN, volumul ar fi foarte mic din cauza densității informaționale a ADN-ului, și astfel ați introduce câteva sonde care se leagă de caracteristica pe care o căutați pentru."

O revoluție la orizont

Deci, când ar trebui să vă pregătiți să vă aruncați echipamentul actual și să îl înlocuiți cu piese de computer bio-organice? Probabil că nu prea curând.

„Cred că, în viitorul apropiat”, spune Park, „procesul de scriere prin care convertiți datele digitale în ADN are loc în unități specializate”. Datele ADN facilitățile vor găzdui datele bazate pe ADN, pe care oamenii le pot accesa ca pe un server tradițional, deși el sugerează că oamenii ar putea obține copii ale datelor lor în timpul testului. tuburi.

Deocamdată, stocarea și calcularea bazate pe ADN nu este probabil să fie o parte notabilă a vieții de zi cu zi, dar ceva care ar putea avea un impact uriaș asupra imaginii de ansamblu a umanității.