Viimase paari aasta jooksul on teadlased fossiilidest eraldatud DNA fragmentide abil dekodeerinud 700 000 aastat vanad mammuti ja hobuse genoomid. DNA kestab kindlasti palju kauem kui organismid, mille geneetilisi koode see kannab. Arvutiteadlased ja insenerid on juba ammu unistanud, kuidas rakendada digitaalsete andmete salvestamiseks DNA vähetähtsust ja vastupidavust. Nad tahavad kodeerida kõik need nullid ja nullid molekulideks A, C, G ja T, mis moodustavad DNA polümeeri keerdtrepi - ja selle kümnendi edusammud DNA sünteesis ja sekveneerimises on viinud suure läbimurdeni. Hiljutised katsed on näidanud, et ühel päeval suudame kogu maailma digitaalse teabe kodeerida mõnes liitris DNA-s - ja lugeda seda uuesti tuhandeid aastaid hiljem.
Microsofti ja teiste tehnoloogiaettevõtete huvi tekitab selles valdkonnas pingeid. Eelmisel kuul teatas Microsoft Research, et maksab sünteetilise bioloogia idufirmale Twist Bioscience, et loote 10 miljonit DNA-ahelat, mille on Microsofti arvutiteadlased kujundanud andmete salvestamiseks. Juhtiv mälutootja Micron Technology rahastab ka DNA salvestamise uuringuid, et teha kindlaks, kas nukleiinhappesüsteem suudab nihutada elektroonilise mälu piire. Teadlaste sõnul võib selline raha ja intresside sissevool järk-järgult vähendada üüratuid kulusid ning muuta andmete salvestamise DNA-s võimalikuks kümne aasta jooksul.
Inimesed genereerivad 2017. aastaks üle 16 triljoni gigabaiti digitaalandmeid ja enamik sellest tuleb arhiveerida. Juriidilised, rahalised ja meditsiinilised andmed ning muidugi ka multimeediumifailid. Tänapäeval hoitakse andmeid lao suurustes energiamahukates andmekeskustes kõvaketastel, optilistel ketastel. Parimal juhul säilitatakse neid andmeid kolmkümmend aastat, halvimal juhul - mitu. Lisaks sellele on Microsofti teadusuuringute arvutiarhitekti Karin Straussi sõnul "me toodame palju rohkem andmeid, kui seda suudab salvestustööstus, ja prognoosid näitavad, et lõhe suureneb."
Nüüd lisame sellele kõigele DNA. See võib elada sajandeid, kui seda hoitakse jahedas ja kuivas kohas. Teoreetiliselt suudab see pakkida miljardeid gigabaiti andmeid suhkrukuubikusse. Tape, mis on tänapäeval kõige tihedam salvestuskandja, mahutab samas ruumis 10 gigabaiti. "DNA on uskumatult tihe, vastupidav ja püsimatu andmekandja," ütleb Illinoisi ülikooli Urbana-Champaigni elektri- ja arvutitehnika professor Olgica Milenkovic.
Seda seetõttu, et kõik neli ehitusmolekuli - adeniin (A), tsütosiin ©, guaniin (G) ja tümiin (T) - hõivavad kuupmeetri nanomeetri. Kasutades kodeerimissüsteemi - ütleme nii, et A tähistab bitte "00", C tähistab "01" ja nii edasi - saavad teadlased võtta ühikute ja nullide read, mis moodustavad digitaalsed andmefailid, ja luua hetktõmmise või videoga DNA ahela. Muidugi on tõeline kodeerimistehnika palju keerulisem, kui me teile siin kirjutasime. Disaini DNA-ahelate süntees on andmete kirjutamise protsess. Seejärel saavad teadlased neid ahelate järjestamise teel lugeda.
Harvardi geneetik George Church rajas selle uurimisvaldkonna 2012. aastal, kodeerides raamatu 70 miljardit eksemplari - miljon gigabitti - kuupmillimeetris DNA-d. Aasta hiljem näitasid Euroopa Bioinformaatika Instituudi teadlased, et nad suudavad ühe eksituseta lugeda 739 kilobaiti DNA-sse suletud andmeid.
Eelmisel aastal demonstreerisid mitu teadlaste meeskonda täielikult toimivaid süsteeme. Augustis kapseldasid ETH Zürichi teadlased sünteetilise DNA klaasi, allutati tingimustele, mis simuleerisid 2000 aasta möödumist, ja taastasid kodeeritud andmed täielikult. Paralleelselt teatasid Milenkovic ja tema kolleegid, et kuus Ameerika ülikooli on Vikipeedia lehed DNA-sse salvestanud ning - järjestuste spetsiaalsete "aadressidega" varustamise abil - valinud ja valinud kirjutatud teksti osi. Juhuslik juurdepääs andmetele on väga oluline, et vältida vajadust "terve raamat järjestada vaid ühe lõigu lugemiseks", ütleb Milenkovich.
Aprillis teatasid Strauss ning Washingtoni ülikooli teadlased Jord Seelig ja Luis Tsese, et nad suutsid oma kodeerimisskeemi abil kirjutada 40 000 DNA-ahelasse kolm pildifaili, igaüks mitu kümneid kilobaite, ja lugesid neid siis eraldi, mitte vigade tegemine. Nad tutvustasid oma tööd aprillis elektrooniliste arvutite assotsiatsiooni konverentsil. 10 miljoni stringiga, mille Microsoft ostab Twist Bioscience'ilt, kavatsevad teadlased tõestada, et DNA andmeid saab salvestada palju suuremas mahus. "Meie eesmärk on demonstreerida lõplikku süsteemi, milles me kodeerime DNA-faile, sünteesime molekule, säilitame neid pikka aega ja seejärel taastame need DNA järjestamise teel," ütleb Strauss. "Alustame biitidest ja läheme taktide juurde tagasi."
Reklaamvideo:
Mälutootja Micron uurib DNA-d ränijärgse tehnoloogiana. Ettevõte rahastab Idaho kiriku ja ülikooli teadlaste tööd DNA-s vigadeta salvestussüsteemi loomiseks. "Ladustamiskulude kasv põhjustab alternatiivseid lahendusi ja DNA salvestamine on üks kõige lootustandvamaid lahendusi," ütles Microni kõrgtehnoloogia arenduse direktor Gurtei Sandu.
Teadlased otsivad endiselt võimalusi andmete kodeerimisel ja dekodeerimisel esinevate vigade arvu vähendamiseks. Kuid suurem osa tehnoloogiast on juba paigas. Mis siis takistab meil liikumist kingakarbi suurustest andmeladudest DNA klaasist kapsliteni? Maksumus. "Salvestusprotsess on miljon korda kallim," ütleb Seelig.
Selle põhjus on järgmine: DNA valmistamine hõlmab nano-suuruste molekulide ükshaaval ülitäpsetamist - see pole lihtne ülesanne. Ehkki järjestuse maksmine langes selle teenuse kiiresti kasvava nõudluse tõttu, ei olnud DNA sünteesil turul sarnast draiverit. Milenkovic maksis umbes 150 dollarit 1000 sünteesitud nukleotiidist koosneva stringi loomise eest. Miljon nukleotiidi järjestamine maksab umbes sent.
Huvi Microsofti ja Microni andmete salvestamise vastu võib olla just kulude kärpimiseks vajalik hoog, ütleb Seelig. Nutikas inseneritöö ja uued tehnoloogiad, nagu mikrofluidika ja nanopoorne DNA järjestamine, mis aitavad protsessi vähendada ja kiirendada, aitavad samuti edasi liikuda. Nüüd võtab mitusada aluspaari järjestamine tunde - ja nende sünteesimine päevi - hulga seadmete abil. Ma soovin, et saaksin seda kõike teha väikeses karbis, vastasel juhul kaoks ladustustiheduse eelis.
Kui kõik läheb hästi, näeb Strauss ette, et ettevõtted pakuksid järgmise kümnendi jooksul arhiivinduse DNA-teenuseid. "Võite avada brauseri ja üles laadida faile nende saidile või võtta oma baidid tagasi nagu pilvega," ütleb ta. Või võite osta kõvaketta asemel DNA-ketta.
ILYA KHEL
