ДНК может скоро стать цифровым запоминающим устройством

Мы живем в век информации и данных, и каждый день их создается все больше. По оценкам, сейчас на планете около десяти триллионов гигабайт цифровых данных, и около 2,5 миллиона гигабайт добавляются к этой сумме ежедневно. Эксабайт – это один миллиард гигабайт, а эксабайтные центры обработки данных в настоящее время используются для хранения большей части мировых данных. Эти центры могут быть размером с несколько футбольных полей и стоить до миллиарда долларов.

Многие ученые считают, что альтернативное решение заключается в молекуле, которая содержит нашу генетическую информацию: ДНК, которая эволюционировала для хранения огромных объемов информации с очень высокой плотностью. По словам Марка Бата, профессора биологической инженерии Массачусетского технологического института, в кофейной кружке, полной ДНК, теоретически можно хранить все данные человечества.

«Нам нужны новые решения для хранения огромных объемов данных, которые накапливаются в мире, особенно архивных данных», – сказал Бат. «ДНК в тысячу раз плотнее, чем даже флеш-память, и еще одно интересное свойство состоит в том, что после создания полимера ДНК он не потребляет никакой энергии. Вы можете записать ДНК, а затем хранить ее вечно».

ДНК уже использовалась для кодирования изображений и текста, и теперь Бат и его коллеги разработали метод извлечения нужного файла из смеси ДНК. Они сделали это с использованием частиц кремнезема(главный компонент почти всех земных горных пород), которые имеют размер всего шесть микрометров и помечены последовательностями ДНК, которые описывают содержимое. Ученые продемонстрировали, что метод работает, найдя отдельные изображения, которые были сохранены в виде последовательностей ДНК, из набора из двадцати изображений. Такой подход можно использовать для хранения ^10-20 файлов. Их работа была недавно опубликована в журнале Nature Materials.

Стабильное хранение

Используемые нами компьютеры кодируют текст, файлы и другие данные, как комбинации нулей и единиц. ДНК можно использовать таким же образом, но она имеет четыре нуклеотидных основания вместо 0 и 1 – A, T, G и C. ДНК также чрезвычайно стабильна, она легко уплотняется и, как правило, легко синтезируется и секвенируется.

К сожалению, сейчас создание ДНК для этой цели было бы дорогостоящим. По оценкам, запись одного миллиона гигабайт будет стоить один триллион долларов. По оценкам Бата, стоимость должна снизиться примерно в шесть раз, чтобы быть конкурентоспособной по сравнению с популярным в настоящее время способом хранения – магнитной лентой. Но это падение цен может произойти в течение двух десятилетий или даже раньше, – предположил он. Другая проблема – найти способ отсортировать данные, чтобы можно было легко и быстро найти нужный фрагмент.

Прямо сейчас ПЦР используется для поиска правильной последовательности – праймеры с определенной известной последовательностью можно использовать для амплификации большей целевой последовательности в ДНК в виде процесса поиска. Но с этим методом есть проблемы. Во-первых, он использует ДНК, потому что это ферментативная реакция.

«Вы как бы сжигаете стог сена, чтобы найти иголку, потому что вся остальная ДНК не усиливается, и вы, по сути, выбрасываете ее», – сказал Бат.

В этом исследовании ученые создали частицы диоксида кремния, каждая из которых помечена короткими последовательностями ДНК или штрих-кодами, соответствующими более длинной последовательности в файле ДНК. Штрих-коды соответствуют меткам, таким как «кошка» или «самолет», и желаемое изображение можно получить, добавив праймеры, соответствующие определенным меткам. Например, к слову «кот» могут подойти такие праймеры, как «дикий» или «оранжевый». Праймеры также являются флуоресцентными, поэтому они могут легко определить местоположение совпадения в образце. Это также позволяет извлечь файл, не нанося вреда остальной части файла ДНК.

«На текущем этапе проверки нашей концепции скорость поиска составляет один килобайт в секунду. Скорость поиска в нашей файловой системе определяется размером данных на капсулу, который в настоящее время ограничен непомерно высокой стоимостью записи даже 100 мегабайт данных о ДНК и количество сортировщиков, которые мы можем использовать параллельно. Если синтез ДНК станет достаточно дешевым, мы сможем максимально увеличить размер данных, которые мы можем хранить в файле с нашим подходом», – сказал соавтор исследования и старший постдок Массачусетского технологического института Джеймс Банал.

Штрих-коды были длиной около 25 нуклеотидов. Если два штрих-кода помещены в каждый файл, 10 ¹⁰ (десять миллиардов) различных файлов могут быть однозначно помечены, а с четырьмя метками можно однозначно пометить 10 ²⁰ (десять квинтиллионов) файлов.

Бат предположил, что этот метод хранения может быть идеальным для данных, которые необходимо хранить в течение длительного времени, но к которым не так часто обращаются.