Tijekom proteklih nekoliko godina, znanstvenici su dekodirali genomima 700 000 godina starih mamuta i konja koristeći fragmente DNA izvađene iz fosila. DNA definitivno traje mnogo dulje od organizama za koje nosi genetske kodove. Računalni znanstvenici i inženjeri već dugo sanjaju da iskoriste omalenost i elastičnost DNK za pohranu digitalnih podataka. Sve te nule i jedinice žele kodirati u molekule A, C, G i T, koje tvore spiralno stubište DNA polimera - a napredak ovog desetljeća u sintezi i sekvenciranju DNA doveo je do velikog proboja. Nedavni eksperimenti pokazali su da ćemo jednog dana biti u mogućnosti kodirati sve svjetske digitalne informacije u nekoliko litara DNA - i ponovno ih pročitati tisućama godina kasnije.
Interes Microsofta i drugih tehnoloških tvrtki podiže napetost na ovom području. Prošlog mjeseca, Microsoft Research rekao je da će platiti startup sintetičke biologije Twist Bioscience za stvaranje 10 milijuna DNA lanaca koje su dizajnirali Microsoftovi računalni znanstvenici za pohranu podataka. Vodeći proizvođač memorije Micron Technology također financira istraživanje pohrane DNK kako bi utvrdio može li sustav nukleinske kiseline pomaknuti granice elektroničke memorije. Ovaj priljev novca i kamata mogao bi postupno smanjiti pretjerane troškove i omogućiti pohranjivanje podataka u DNK u roku od deset godina, kažu istraživači.
Ljudi će do 2017. generirati preko 16 bilijuna gigabajta digitalnih podataka, a većinu toga trebat će arhivirati. Pravni, financijski i medicinski podaci, kao i, naravno, multimedijske datoteke. Danas se podaci pohranjuju na tvrde diskove, optičke diskove u energetski intenzivnim podatkovnim centrima veličine skladišta. U najboljem slučaju, ti se podaci pohranjuju trideset godina, u najgorem - nekoliko. Uz to, prema računalnoj arhitektici Microsoft Research Karin Strauss, "Proizvodimo puno više podataka nego što to može učiniti skladišna industrija, a projekcije pokazuju da će se jaz povećati."
Ajmo sada svemu tome dodati DNK. Živi stoljećima ako se drži na hladnom i suhom mjestu. U teoriji, u kocku šećera može spakirati milijarde gigabajta podataka. Traka, danas najgušći medij za pohranu, može sadržavati 10 gigabajta u istoj količini prostora. "DNA je nevjerojatno gust, izdržljiv i nehlapljiv medij za pohranu", kaže Olgica Milenković, profesorica elektrotehnike i računalnog inženjerstva sa Sveučilišta Illinois na Urbana-Champaign.
To je zato što svaka od četiri građevinske molekule - adenin (A), citozin ©, gvanin (G) i timin (T) - zauzima volumen u kubičnom nanometru. Koristeći sustav kodiranja - recimo, u kojem A predstavlja bitove "00", C predstavlja "01", i tako dalje - znanstvenici mogu uzeti redove s jedinicama i nulama koji čine datoteke digitalnih podataka i stvoriti DNA lanac koji sadrži snimku ili video. Naravno, prava tehnika kodiranja mnogo je složenija nego što smo ovdje napisali za vas. Sinteza dizajnerskog DNA lanca postupak je pisanja podataka. Znanstvenici ih tada mogu čitati sekvenciranjem lanaca.
Harvardski genetičar George Church osnovao je ovo područje istraživanja 2012. godine kodirajući 70 milijardi primjeraka knjige - milijun gigabita - u kubni milimetar DNA. Godinu dana kasnije, znanstvenici s Europskog instituta za bioinformatiku pokazali su da bez ijedne greške mogu pročitati 739 kilobajta podataka zatvorenih u DNA.
Prošle je godine nekoliko timova znanstvenika pokazalo potpuno funkcionirajuće sustave. U kolovozu su znanstvenici iz ETH Zurich inkapsulirali sintetičku DNA u staklo, podvrgnuti uvjetima koji simuliraju istek od 2000 godina, i potpuno obnovili kodirane podatke. Paralelno s tim, Milenković i njezini kolege izvijestili su da je šest američkih sveučilišta spremilo stranice Wikipedije u DNK i - pružajući sekvence posebnim "adresama" - selektivno čitalo i uređivalo dijelove napisanog teksta. Nasumični pristup podacima vrlo je važan kako bi se izbjegla "cijela knjiga u nizu kako bi se pročitao samo jedan odlomak", kaže Milenkovich.
U travnju su Strauss i znanstvenici Jord Seelig i Luis Tsese sa Sveučilišta u Washingtonu izvijestili da su uspjeli napisati tri slikovne datoteke, po nekoliko desetaka kilobajta, u 40 000 DNA lanaca koristeći svoju vlastitu shemu kodiranja, a zatim ih pročitati pojedinačno, a ne čineći pogreške. Svoj su rad predstavili u travnju na konferenciji Udruge za elektroničko računanje. S 10 milijuna žica koje Microsoft kupuje od Twist Bioscience, znanstvenici planiraju dokazati da se DNK podaci mogu pohraniti u mnogo većem mjerilu. "Cilj nam je demonstrirati konačni sustav u kojem kodiramo DNK datoteke, sintetiziramo molekule, dugo ih skladištimo, a zatim ih vraćamo sekvenciranjem DNA", kaže Strauss. "Počinjemo s taktovima i vraćamo se ritmovima."
Promotivni video:
Proizvođač memorije Micron proučava DNA kao postsilikonsku tehnologiju. Tvrtka financira rad znanstvenika Crkve i Sveučilišta Idaho na stvaranju sustava za pohranu DNK bez pogrešaka. "Rastući troškovi skladištenja potaknut će alternativna rješenja, a skladištenje DNK jedno je od najperspektivnijih rješenja", rekao je Gurtei Sandu, direktor razvoja napredne tehnologije u Micronu.
Znanstvenici još uvijek traže načine kako smanjiti broj pogrešaka u kodiranju i dekodiranju podataka. No većina tehnologije već je na mjestu. Dakle, što nas sprečava da prijeđemo iz skladišta podataka veličine kutija za cipele u staklene kapsule DNA? Trošak. "Postupak snimanja je milijun puta skuplji", kaže Seelig.
Evo zašto: Izrada DNK uključuje nizanje nanorazmjernih molekula jednu po jednu s velikom preciznošću - to nije lak zadatak. Iako su troškovi sekvenciranja padali zbog brzo rastuće potražnje za ovom uslugom, sinteza DNA nije imala sličan pokretač na tržištu. Milenković je platio oko 150 dolara za stvaranje niza od 1.000 sintetiziranih nukleotida. Sekvenciranje milijuna nukleotida košta oko centa.
Interes za pohranu podataka od Microsofta i Microna mogao bi biti samo zamah potreban da se počne smanjivati trošak, kaže Seelig. Pametno inženjerstvo i nove tehnologije poput mikrofluidike i sekvenciranja nanopore DNA koje pomažu u smanjenju i ubrzanju procesa također će pomoći u napredovanju. Sada su potrebni sati da se niz nekoliko stotina baznih parova - i dani da se sintetiziraju - koriste hrpom opreme. Volio bih da sve to mogu raditi u maloj kutiji, inače bi se izgubila prednost gustoće pohrane.
Ako sve bude u redu, Strauss predviđa tvrtke koje u sljedećem desetljeću nude usluge arhivske zaštite DNK. "Možete otvoriti preglednik i prenijeti datoteke na njihovu stranicu ili vratiti svoje bajtove natrag kao što biste to učinili s oblakom", kaže ona. Ili biste umjesto tvrdog diska mogli kupiti DNA disk.
ILYA KHEL
