Забравете за твърдите дискове и центровете за данни – ДНК е бъдещето на съхранението на данни

До 3 години в света няма да има достатъчно центрове за данни, в които да се съхранява дори половината от общия обем данни, които ще се генерират от потребителите на интернет. Това шокиращо твърдение е направено от Том де Гриф, професор по синтетична биология в Технологичния университет в Айндховен (TU/e).

Означава ли това, че до 2026 година интернет също ще се срине? Е, няма да е така, ако технологичните компании започнат да използват синтетична ДНК вместо твърди дискове, за да съхраняват данните си. Може и да не ви се вярва, но според Гриф и неговия екип нишките на ДНК могат да съхраняват големи количества цифрови данни и в много отношения те имат повече предимства пред съвременните центрове за данни.

В наскоро публикуваното си изследване екипът на TU/e предложил техника, която обещава да направи съхранението на данни практично, мащабируемо и високоефективно.

Може ли наистина да се съхраняват данни върху ДНК?

ДНК вече е известна с това, че съхранява цялата генетична информация на организма, която определя по-голямата част от неговия физически и психически строеж. Интересно е, че това не е първият път, когато учени предлагат използването на синтетична ДНК (ДНК, направена в лаборатория) за съхранение на цифрови данни.

Идеята е предложена за първи път през 80-те години на миналия век, а около 30 години по-късно, през 2012 година, група учени от Харвардския университет съхраняват книга с 52 000 думи върху парчета ДНК. Те са успели да съхранят 1,29 петабайтa (1,28 милиона гигабайта) на всеки грам ДНК, който са използвали.

Въпреки това техният подход имал няколко ограничения и затова съхранението на ДНК не се наложило като основно решение за съхранение на данни. Оттогава много други учени се опитали да направят процеса ефективен и мащабируем, но някои предизвикателства все още нямало как да бъдат решени.

Например кодирането на данни върху ДНК и последващото извличане на информацията обратно от нея изисква високотехнологични ресурси, което го прави много скъпо решение за съхранение на данни. Освен това сегашният метод, който се използва за разчитане на данни върху ДНК, известен като полимеразна верижна реакция (PCR) може да доведе до грешки и да повреди ДНК веригата, върху която се съхраняват данните.

Това, което се случва при PCR, е, че ако трябва да се прочете определен файл, който е съхранен върху ДНК се използва се съответстващ праймер, който се търси в гупата и се прикрепя към необходимата ДНК верига. След това тази ДНК се копира милиони пъти, за да може системата да я намери и да прочете файла.

Проблемът е, че всеки път, когато четете данните, процесът на четене влошава качеството на оригиналната ДНК.

„Става трудно да се четат няколко файла едновременно. Освен това, ако искате да прочетете няколко файла едновременно ще се нуждаете от няколко двойки праймери, които да вършат работата си едновременно. Това създава много грешки в процеса на копиране.“

отбелязват авторите на изследването

Използване на ДНК микрокапсули за по-безопасно и по-добро съхранение на данни

В своето проучване Том Де Гриф и неговият екип предлагат модифициран метод за PCR в термоизолиран режим. Тази нова техника обещава да преодолее предизвикателствата, с които се сблъскват учените при обикновения PCR метод. Авторите са създали микрокапсули, изработени от протеини и полимери, които действат като разделени на отделения ДНК файлове.

Всяка микрокапсула е свързана с един файл с данни. Освен това те са проектирани по такъв начин, че при нагряване на много микрокапсули при температура над 50°C всяка от тези капсули се запечатва.

Това позволява процесът на PCR да протича независимо във всяка капсула, като оставя много малко място за грешки. Когато температурата се нормализира, оригиналният файл остава свързан с капсулата, но копираните файлове я напускат. По този начин оригиналните данни и ДНК се предпазват от влошаване на качеството.

В стандартния метод за съхранение на ДНК без отделения, PCR не се извършва поотделно за всеки файл и следователно води до влошаване на данните и грешки при копирането.

Авторите на изследването използват своя нов подход за едновременно четене на 25 файла, съхранени в разделена ДНК. Резултатите са положителни и изненадващи. Коментирайки резултатите от експеримента си, Гриф заяви:

„В момента имаме загуба от 0,3 % след три прочитания, в сравнение с 35 % при съществуващия метод.“

Изследването предполага, че капсулите могат да бъдат и цветно кодирани с помощта на флуоресцентни етикети. Това ще улесни сортирането и търсенето на информация в големи библиотеки с ДНК данни.

„Сега остава само да изчакаме, докато разходите за синтез на ДНК намалеят още повече. Тогава техниката ще бъде готова за масово приложение.“

допълва още Гриф

Предимства на ДНК съхранението пред съхранението в центровете за данни

Хората генерират над 2 x 1018 байта данни всеки ден. Всяка ваша публикация, търсене в Google, блог и качване създават нови байтове данни и всички тези данни се съхраняват в центрове за данни, разположени по целия свят.

Центровете за данни са големи съоръжения, които се състоят от множество сървъри за данни. Те заемат огромна площ и постоянно консумират големи количества електроенергия. Авторите на изследването твърдят, че ДНК съхранението може да намали както площта, така и потреблението на електроенергия, необходими за съхранението на данни.

Това се дължи на факта, че ДНК предлага висока плътност на съхранение. 1 грам ДНК би бил достатъчен за съхранение на данни, възлизащи на 215 милиона гигабайта. Според изчисленията всички данни, които човечеството е произвело досега, могат да бъдат поместени в сегменти на ДНК, подредени в една стая.

Освен това, докато сегашните сървъри за данни трябва да се обновяват своевременно и могат да съхраняват данните само 10, 20 или 50 години, ДНК може да запази съдържанието ви непокътнато в продължение на милиони години. Също така ДНК може да се съхранява в съоръжения, които ще изискват значително по-ниска консумация на енергия в сравнение със центровете за данни.

Всички тези фактори превръщат съхранението на ДНК в много обещаваща технология. Надяваме се, че по-нататъшните изследвания ще доведат до намаляване на разходите за синтез на ДНК и ще наложат този подход като масов.

Изследването е публикувано в списание Nature Nanotechnology.