În ultimii ani, oamenii de știință au decodat genomul de mamut și cal de 700.000 de ani folosind fragmente de ADN extrase din fosile. ADN durează cu siguranță mult mai mult decât organismele pentru care poartă coduri genetice. Informaticienii și inginerii au visat mult timp să valorifice diminuarea și rezistența ADN-ului pentru a stoca date digitale. Vor să codifice toate acele zerouri și unele în moleculele A, C, G și T, care formează scara în spirală a polimerului ADN - iar progresele din acest deceniu în sinteza și secvențierea ADN-ului au dus la o descoperire majoră. Experimente recente au arătat că într-o zi vom putea codifica toate informațiile digitale ale lumii în câțiva litri de ADN - și le vom citi din nou mii de ani mai târziu.
Interesul Microsoft și al altor companii de tehnologie crește tensiunile în acest domeniu. Luna trecută, Microsoft Research a spus că va plăti start-up-ului de biologie sintetică Twist Bioscience pentru a crea 10 milioane de fire de ADN proiectate de oamenii de știință ai computerului Microsoft pentru a stoca date. Micron Technology, principalul producător de memorie, finanțează, de asemenea, cercetarea stocării ADN-ului pentru a determina dacă un sistem de acid nucleic poate depăși limitele memoriei electronice. Acest flux de bani și dobânzi ar putea reduce treptat costurile exorbitante și ar face posibilă stocarea datelor în ADN în decurs de zece ani, spun cercetătorii.
Oamenii vor genera peste 16 trilioane de gigaocteți de date digitale până în 2017, iar majoritatea acestora vor trebui arhivate. Date juridice, financiare și medicale, precum și, desigur, fișiere multimedia. Astăzi, datele sunt stocate pe hard disk-uri, discuri optice în centre de date cu consum mare de energie de mărimea unui depozit. În cel mai bun caz, aceste date sunt stocate timp de treizeci de ani, cel mai rău - mai mulți. În plus, potrivit arhitectului de calcul Microsoft Research Karin Strauss, „Producem mult mai multe date decât poate face industria de stocare, iar prognozele arată că decalajul se va lărgi”.
Acum să adăugăm ADN la toate acestea. Trăiește secole dacă este păstrat într-un loc răcoros și uscat. În teorie, poate împacheta miliarde de gigaocteți de date într-un cub de zahăr. Banda, cel mai dens mediu de stocare disponibil astăzi, poate conține 10 gigaocteți în aceeași cantitate de spațiu. „ADN-ul este un mediu de stocare incredibil de dens, durabil și non-volatil”, spune Olgica Milenkovic, profesor de inginerie electrică și informatică la Universitatea din Illinois la Urbana-Champaign.
Acest lucru se datorează faptului că fiecare dintre cele patru molecule de construcție - adenină (A), citozină ©, guanină (G) și timină (T) - ocupă un volum nanometric. Folosind un sistem de codare - să zicem, în care A reprezintă biții „00”, C reprezintă „01” și așa mai departe - oamenii de știință pot lua rândurile de unii și zerouri care alcătuiesc fișiere de date digitale și pot crea o șir de ADN care conține un instantaneu sau un videoclip. Desigur, adevărata tehnică de codare este mult mai complicată decât am scris aici pentru dvs. Proiectarea sintezei catenelor ADN este procesul de scriere a datelor. Oamenii de știință le pot citi apoi prin secvențierea lanțurilor.
Geneticianul Harvard, George Church, a fondat această zonă de cercetare în 2012, codificând 70 de miliarde de exemplare ale cărții - un milion de gigați - într-un milimetru cub de ADN. Un an mai târziu, oamenii de știință de la Institutul European de Bioinformatică au arătat că pot citi, fără o singură greșeală, 739 kilobyți de date cuprinse în ADN.
Anul trecut, mai multe echipe de oameni de știință au demonstrat sisteme pe deplin funcționale. În august, oamenii de știință de la ETH Zurich au încapsulat ADN sintetic în sticlă, au fost supuși unor condiții care simulează expirarea a 2.000 de ani și au recuperat complet datele codificate. În paralel, Milenkovic și colegii ei au raportat că șase universități americane au salvat paginile Wikipedia în ADN și - prin furnizarea secvențelor cu „adrese” speciale - au citit selectiv și au editat porțiuni din textul scris. Accesul aleator la date este foarte important pentru a evita să „secvenți o carte întreagă pentru a citi doar un paragraf”, spune Milenkovich.
În aprilie, Strauss și oamenii de știință Jord Seelig și Luis Tsese de la Universitatea din Washington au raportat că au reușit să scrie trei fișiere de imagine, fiecare cu câteva zeci de kilobyți, în 40.000 de fire ADN folosind propria lor schemă de codificare, apoi le-au citit individual, făcând greșeli. Ei și-au prezentat lucrările în luna aprilie la o conferință a Asociației pentru Calcul Electronic. Cu cele 10 milioane de șiruri pe care Microsoft le cumpără de la Twist Bioscience, oamenii de știință intenționează să demonstreze că datele ADN pot fi stocate pe o scară mult mai mare. Scopul nostru este de a demonstra un sistem final în care codificăm fișiere ADN, sintetizăm molecule, le stocăm pentru o lungă perioadă de timp și apoi le restaurăm prin secvențierea ADN-ului, spune Strauss. „Începem cu ritmurile și ne întoarcem la ritmuri”.
Video promotional:
Producătorul de memorie Micron studiază ADN-ul ca tehnologie post-siliciu. Compania finanțează activitatea oamenilor de știință ai Bisericii și Universității din Idaho pentru a crea un sistem de stocare fără erori în ADN. „Costul în creștere al stocării va conduce la soluții alternative, iar stocarea ADN-ului este una dintre cele mai promițătoare soluții”, a spus Gurtei Sandu, director de dezvoltare tehnologică avansată la Micron.
Oamenii de știință încă caută modalități de a reduce numărul de erori în codarea și decodarea datelor. Dar cea mai mare parte a tehnologiei este deja în vigoare. Deci, ce ne împiedică să trecem de la depozite de date de dimensiuni cutie de pantofi la capsule de sticlă de ADN? Cost. „Procesul de înregistrare este de un milion de ori mai scump”, spune Seelig.
Iată de ce: A face ADN implică înșirarea moleculelor nanozizate una câte una cu precizie ridicată - nu este o sarcină ușoară. Deși costul secvențierii a scăzut din cauza cererii în creștere rapidă pentru acest serviciu, sinteza ADN-ului nu a avut un motor similar pe piață. Milenkovic a plătit aproximativ 150 de dolari pentru a crea un șir de 1.000 de nucleotide sintetizate. Secvențierea unui milion de nucleotide costă aproximativ un cent.
Interesul pentru stocarea datelor de la Microsoft și Micron poate fi doar impulsul necesar pentru a începe reducerea costurilor, spune Seelig. Ingineria inteligentă și noile tehnologii precum microfluidica și secvențierea ADN-ului nanopore care ajută la reducerea și accelerarea procesului vor contribui, de asemenea, la progres. Acum este nevoie de ore pentru a secvența câteva sute de perechi de baze - și zile pentru a le sintetiza - folosind o grămadă de echipamente. Mi-aș dori să pot face totul într-o cutie mică, altfel s-ar pierde avantajul densității de stocare.
Dacă totul merge bine, Strauss are în vedere companiile care oferă servicii de conservare a ADN-ului de arhivă pentru următorul deceniu. „Puteți să vă deschideți browserul și să încărcați fișiere pe site-ul lor sau să vă luați octeții înapoi așa cum ați face cu cloudul”, spune ea. Sau ai putea cumpăra un disc ADN în loc de un hard disk.
ILYA KHEL
