ДНК замість чіпа. Топ-3 досягнень учених у сфері зберігання даних у макромолекулах

ДНК, молекула ДНК, робота
Фото: i.pinimg.com

Чи зможемо ми відчути себе героями "Матриці"? Чи зетабайти інформації зберігатимуться у чашку Петрі? Фокус спробував знайти відповіді на ці запитання.

Нещодавно ми повідомляли про те, що компанія Microsoft презентувала молекулярний контролер, що дозволяє у 1 000 разів збільшити швидкість завантаження даних у макромолекулу ДНК. Проте, це єдине досягнення у цій сфері. Як повідомляє видання interestingengineering.com, протягом цього та попереднього місяців кілька дослідницьких інститутів заявили про нові напрацювання, які на думку вчених, прискорять розвиток і застосування на практиці технології запису та зберігання інформації на "органічних серверах". Фокус розповість про кожне дослідження докладно.

Чіп із молекули ДНК: у 100 разів покращить технологію зберігання даних

Учені з Технологічного дослідницького інституту Джорджії (США) днями заявили, що їм вдалося багаторазово покращити технологію зберігання даних у ДНК, повідомляє BBC News. Досягнули вони таких результатів шляхом вирощування унікальних ланцюгів ДНК по одному "будівельному блоку" за раз. "Ці "будівельні блоки" ще називають підставами, які складаються з аденіну, цитозину, гуаніну та тиміну", — пише ЗМІ. "Підстави використовуються для кодування інформації за допомогою двійкового коду (0 та 1)".

Існують різні потенційні способи зберігання інформації ДНК. Наприклад, "нуль" у двійковому коді може бути представлений аденіном або цитозином, а "одиниця" — гуаніном або тиміном. Як альтернатива, 1 і 0 можна порівняти тільки з двома з чотирьох баз.

Структури на чіпі, що використовуються для вирощування ДНК, називаються мікролунками та мають глибину в кілька сотень нанометрів. Прототип мікрочіпа має площу приблизно 2,5 см і враховує кілька мікролунок, що дозволяє синтезувати кілька ланцюгів ДНК паралельно. Надалі можна буде виростити більше ДНК за короткий проміжок часу.

"Оскільки це прототип, ще не всі його мікролунки підключені, а тому загальний обсяг даних ДНК, який може бути записаний за допомогою цього конкретного процесора, поки що менший, ніж той, що можуть вмістити комерційні чіпи", — йдеться у матеріалі.

Співавтор дослідження доктор Ніколас Гіз пояснив, що коли пристрій доопрацюють, він буде здатний на більше. Поки що рекорд зберігання цифрових даних ДНК становить приблизно 200 МБ, процес запису триває майже 24 години. Але нова технологія дозволить записувати в 100 разів більше даних за той же час, а також знизить витрати, завдяки чому з'являться клієнти та технологію переведуть на комерційні рейки.

Твердотільний пристрій для зберігання даних ДНК

"Під керівництвом Лю Хуна, професора Південно-Східного університету в провінції Цзянсу (Китай), команда вчених розробляє новий процес, що додає КНР у гонку за першість у створенні масового пристрою для зберігання ДНК", — пише медіа techradar.com, посилаючись на ІА "Сіньхуа".

У коментарі виданню China Daily професор Лю сказав, що його команда змогла об'єднати дві технології — синтез ДНК і секвенування. Ця інтеграція спростить процеси роботи з макромолекулою під час внесення інформації, упевнені дослідники.

Поки що, використовуючи новий метод, Лю і його команда змогли закодувати та розшифрувати лише кілька слів, але вчені не збираються зупинятися на досягнутому. Вони збираються позбутися рідких реагентів, щоб унаслідок отримати твердотільні пристрої зберігання даних ДНК (SSDS), які, як і їхні аналоги на твердотільних накопичувачах (SSD), будуть більш стійкими до ударів та інших впливів навколишнього середовища. За задумом, SSDS будуть універсальним і пластичним пристроєм. Подробиці щодо того, які матеріали будуть використані в процесі створення пристроїв, учені не розкривають.

Запис інформації "у пробірці"

Учені з Центру синтетичної біології Північно-Західного університету (США) розробили новий метод запису інформації в ДНК "у пробірці". Він заснований на ферментативній системі, повідомляє technologynetworks.com. Дослідники пишуть, що досягти цього вдалося завдяки властивостям ДНК-полімерази, відомої як термінальна дезоксинуклеотидилтрансфераза, або TdT.

Кодування інформації відбувається так: додаючи код до кінця нитки ДНК, значення "1" присвоюється тим частинам, де є кобальт, а "0" — тим, де він відсутній. Коли ДНК зчитується для декодування інформації, якщо в частині є багато основ аденіну, це записується як "1". Якщо є багато основ гуаніну, це записується як "0".

Що дає цей спосіб? Адаптивність, насамперед: коли змінюється довкілля, змінюється і склад синтезованого ланцюга ДНК. Середня швидкість увімкнення нуклеотидів при цьому використовується як "позначка часу", щоб точно вказати, коли відбулася зміна навколишнього середовища.

Важливо
Ера зетабайтів. Microsoft розробила новий метод запису та читання інформації у форматі ДНК

Як пояснили вчені, хімічний синтез ДНК потребує послідовного додавання хімікатів, а потім їх змивання перед додаванням наступної хімічної речовини. Й ось це "промивання" уповільнює процес запису інформації. Так ось новий метод не вимагає промивок, тому що всі необхідні реагенти наносяться у вигляді суміші, а властивості ДНК-полімерази модулюються. Команда змогла записати 3/8 байтів інформації за годину і тепер працює над прискоренням процесів.

"Цифрове зображення складається з мільйонів байтів, і для його читання та запису на жорсткий диск потрібно частки секунди. Розпаралелювання на мільйони ниток ДНК дозволить значно збільшити та прискорити зберігання даних, але ми збираємося усунути технічні перешкоди, щоб збільшити кількість байтів і скоротити час запису одного ланцюжка ДНК", — повідомили дослідники.

ДНК, інформація, дані
Можливо, ми самі зможемо стати носіями додаткової інформації, записаної у наші ДНК

Навіщо записувати інформацію в ДНК

Магнітні жорсткі диски, які ми сьогодні використовуємо для зберігання даних, займає багато місця. І їх треба згодом замінювати на нові. Використання альтернативного ДНК-носія інформації для резервного копіювання даних, що генеруються всіма людьми, дозволило б архівувати величезні обсяги інформації в крихітних молекулах. За словами вчених, вони зможуть зберігатися тисячі років, і при цьому "апаратура" не вимагатиме ремонту чи заміни.

Проте процес записування і зчитування коштує дуже дорого. Якщо вчені зможуть знизити вартість цієї технології та зроблять її конкурентоспроможною, вона стане дуже популярною. Нею зможуть скористатися бібліотеки, архіви, різні організації та служби. Наприклад, якщо відформатувати кожен фільм, який будь-коли був знятий, то вся зібрана інформація могла б уміститися в об'ємі, меншому, ніж кубик цукру. Більше того, він приваблює своєю екологічністю, адже в роботі всіх процесів електрика не використовується (хіба що для освітлення лабораторій і забезпечення роботи спеціального обладнання).

"Сховище інформації у вигляді ДНК вселяє надію на те, що комп'ютерна індустрія, нарешті, зможе вирішити проблему експоненційного прагнення людства до зберігання даних. Сховище ДНК може запропонувати щільність зберігання понад 1 ексабайту на кубічний дюйм, тобто 9 зетабайт, – ред.), і все це зберігається у просторі невеликого холодильника", — пише interestingengineering.com.

Враховуючи, наскільки компактним і надійним є такий метод, не дивно, що наразі існує широкий інтерес до ДНК як засобу для архівування даних, які необхідно зберігати невизначений термін. А що стосується внесення нових даних у ДНК живої людини, то до цього ще далеко, адже поки що вчені не стабілізували всі процеси так, щоб навколишнє середовище на них не впливало, та й універсальна суміш реагентів, як ми писали вище, ще в розробці.