Какво ще използваме след SSD? Учените предлагат информацията да се записва в ДНК

Ако през следващите десетилетия изцяло преминем към използването на SSD и флаш памет, то към 2040 година данните, които използват хората, ще станат толкова много, че за тяхното записване и съхранение няма да достигне всичкия силиций, който може да се използва за създаването на чипове памет. Ето защо, за да се избегне подобна криза, учените търсят нови материали за запис на информацията, като най-перспективният се предлага от самия живот: ДНК молекулата.

На теория това вещество може да съхранява огромно количество информация – над един екзабайт (един милиард гигабайта) в един кубически милиметър, като информацията се запазва непокътната в продължение на хилядолетия. Магнитната лента например, която се използва като цифров архив от вече почти сто години, може да запази данните за около 30 години и то при специални условия на съхранение на лентата. За разлика от нея, ДНК, открита във вкаменелостите отпреди 700 000 години, все още може да бъде секвенирана – тоест, да бъде прочетена последователността от нуклеотиди.

Един от най-големите проблеми по пътя на превръщането на ДНК молекула в запомнящо устройство за персоналния компютър е бавният, скъп и поддаващ се на грешки процес на създаване или синтеза на ДНК последователности, съответстващи на желания код.

„Синтезът на ДНК е най-тясното място по отношение цената, точността и скоростта на запис“ – споделя Олгица Миленкович, специалист по кодиране на информацията в университета на Илинойс.

Тя и нейните колеги предложиха ново решение: вместо да се синтезира необходимата ДНК от нулата, може просто да се отбележат съответните ДНК компоненти и по този начин данните да се кодират в молекулата.

Авторите на тази научна работа казаха, че са взели пример от древните перфокарти, които са на практика най-опростените носители на информация – късче плътен картон, в точно определени места на който са перфорирани правоъгълни отвори, които кодират информацията за ранните компютърни системи. Към 70-те години на миналия век перфокартите бяха заместени с магнитни ленти, а след това прогресът продължи, както можем да се убедим от предишния материал.

При предишните начини за съхранение на данните в генетичния код се използваха четирите ключови компонента на ДНК. Това са така наречените основи на ДНК – аденин, тимин, цитозин и гуанин. Те се използват като битове за кодиране на данните. Така например, всяка основа може да запише два бита със значения 00, 01, 10 и 11. Но вместо да прехвърля последователността от битове в кода на ДНК и изкуствено да се синтезират съответните нуклеинови вериги, новият метод използва вече съществуващия генетичен материал като картон за перфокартите.

При новия подход ферментите се използват като „устройства, които създават дупките„, каза водещият автор на изследването Касра Табатабаи. Тук „дупките“ са прекъснатите връзки между молекулите, съставящи основата на ДНК. Наличието на връзка означава 1, а нейната липса – 0.

Най-интересният аспект на това научно изследване е, че се базира на самата природа, твърди Бренда Рубенщайн, специалист по теоретична химия в университета Браун, която не е взела участие в тази нова научна работа.

Учените са намерили начин да използват специален вид ферменти, с които да маркират генетичния код и по този начин да използват ДНК за запис на полезна информация“ – допълва Рубещайн.

За да може тези маркери да бъдат поставени с голяма точност, научният екип е нагрявал ДНК молекулите с техните двойни спирали, които образно казано, могат да бъдат представени във вид на извита стълби с напречни греди за стъпала, направени от базови двойки и вертикални перила от от захари и фосфати. Нагряването продължава докато ДНК молекулите не се разделят на две части и се образува ДНК със само една спирала.

След това учените разгръщат получените ДНК с една спирала, всяка с дължина само 16 основи като всеки освободил се от двойната спирала компонент дава информация на ферментите как да действат. Всяка една основа на ДНК се съединява с една молекула на захарта и с една фосфатна група и по този начин образува нуклеотид. Ферментите, използвани в тази нова технология, разкъсват връзката, свързваща един нуклеотид с друг и по този начин се създава маркер на „захарно-фосфатните перила“.

Уникалното на новия метод е, че не се налага синтезирането на точни ДНК последователности. Може да бъде обработена произволна ДНК, която да се използва като своеобразна перфокарта. Експериментите към тази научна работа са направени с генетичния материал, получен от евтините и леснодостъпни щамове на бактериите Escherichia coli, чиито последователности от нуклеотиди са добре изучени и се знаят от специалистите.

Използвайки нишки от бактериална ДНК с 450 базови двойки, всяка от които може да има от 5 до 10 маркера, учените са записали 272 думи от Гетисбъргско обръщение на Ейбрахам Линкълн и 14 KB изображение на мемориала Линкълн. След като са записали тази информация в ДНК, те са използвали предлаганите в днешен ден комерсиални методи за секвениране, с помощта на които данните могат да се прочетат. Оказа се, че точността е идеална.

Учените подчертават, че тяхната технология е много по-евтина и по-бърза от методите, базирани на синтезирането на ДНК. Разликата е, че при синтеза на ДНК плътността на информацията е от 12 до 50 пъти по-висока. Но към днешен ден проблемът в съхранението на данни в ДНК не е в плътността на информацията, а в цената. Да се надяваме, че след двадесетина години ще се появяват първите ДНК запомнящи устройства за персонални компютри.