Kajian terobosan mengambil langkah besar ke hadapan dalam usaha untuk membangunkan a DNA-sistem storan berasaskan data digital.
Digital data berkembang pada kadar eksponen hari ini kerana pergantungan kita pada alat dan ia memerlukan storan jangka panjang yang teguh. Storan data perlahan-lahan menjadi mencabar kerana teknologi digital semasa tidak dapat memberikan penyelesaian. Contohnya ialah lebih banyak data digital telah dicipta dalam dua tahun yang lalu berbanding dalam semua sejarah komputer, sebenarnya 2.5 quintillion byte {1 quintillion byte = 2,500,000 Terabait (TB) = 2,500,000,000 Gigabait (GB)} data sedang dibuat setiap hari di dunia. Ini termasuk data pada tapak rangkaian sosial, transaksi perbankan dalam talian, rekod syarikat dan organisasi, data daripada satelit, pengawasan, penyelidikan, pembangunan dan lain-lain. Data ini adalah besar dan tidak berstruktur. Oleh itu, kini merupakan satu cabaran besar untuk menangani keperluan storan yang besar untuk data dan pertumbuhan eksponennya, terutamanya untuk organisasi dan syarikat yang memerlukan storan jangka panjang yang teguh.
Pilihan yang tersedia pada masa ini ialah cakera keras, cakera optik (CD), kayu memori, pemacu denyar, dan pemacu pita yang lebih maju atau cakera BluRay optikal yang menyimpan kira-kira sehingga 10 Terabait (TB) data. Peranti storan sedemikian walaupun digunakan biasanya mempunyai banyak kelemahan. Pertama, ia mempunyai jangka hayat yang rendah hingga sederhana dan ia perlu disimpan di bawah keadaan suhu dan kelembapan yang ideal untuk dapat bertahan selama beberapa dekad dan dengan itu memerlukan ruang simpanan fizikal yang direka khas. Hampir semua ini menggunakan banyak kuasa, besar dan tidak praktikal dan boleh rosak dengan mudah jatuh. Sesetengah daripada mereka adalah sangat mahal, sering dilanda ralat data dan oleh itu tidak cukup teguh. Pilihan yang telah diterima secara universal oleh organisasi dipanggil pengkomputeran awan - satu susunan di mana syarikat pada dasarnya mengupah pelayan "luar" untuk mengendalikan semua keperluan IT dan penyimpanan datanya, yang dirujuk sebagai "awan". Salah satu kelemahan utama pengkomputeran awan ialah isu keselamatan dan privasi serta terdedah kepada serangan penggodam. Terdapat juga isu lain seperti kos tinggi yang terlibat, kawalan terhad oleh organisasi induk dan pergantungan platform. Pengkomputeran awan masih dilihat sebagai alternatif yang baik untuk penyimpanan jangka panjang. Walau bagaimanapun, nampaknya maklumat digital yang dijana di seluruh dunia sudah tentu mengatasi keupayaan kami untuk menyimpannya dan penyelesaian yang lebih teguh diperlukan untuk menampung banjir data ini sambil menyediakan kebolehskalaan untuk mengambil kira keperluan storan masa hadapan juga.
Bolehkah DNA membantu dalam penyimpanan komputer?
Kami DNA (asid deoksiribonukleik) sedang dipertimbangkan sebagai medium alternatif yang menarik untuk penyimpanan data digital. DNA ialah bahan mereplikasi sendiri yang terdapat dalam hampir semua organisma hidup dan merupakan maklumat genetik kita. Tiruan atau sintetik DNA ialah bahan tahan lama yang boleh dibuat menggunakan mesin sintesis oligonukleotida yang tersedia secara komersial. Faedah utama DNA ialah jangka hayatnya sebagai a DNA tahan 1000 kali lebih lama daripada silikon (cip silikon – bahan yang digunakan untuk membina komputer). Hebatnya, hanya satu milimeter padu DNA boleh menyimpan satu quintillion bait data! DNA juga merupakan bahan ultrakompak yang tidak pernah merosot dan boleh disimpan di tempat yang sejuk dan kering selama beratus-ratus abad. Idea menggunakan DNA untuk penyimpanan telah lama wujud sejak tahun 1994. Sebab utama adalah cara yang sama di mana maklumat disimpan dalam komputer dan dalam DNA – kerana kedua-duanya menyimpan cetak biru maklumat. Komputer menyimpan semua data sebagai 0s dan 1s dan DNA menyimpan semua data organisma hidup menggunakan empat bes – timin (T), guanin (G), adenin (A) dan sitosin (C). Oleh itu, DNA boleh dipanggil peranti storan standard, sama seperti komputer, jika bes ini boleh diwakili sebagai 0s (asas A dan C) dan 1s (asas T dan G). DNA adalah sukar dan tahan lama, gambaran yang paling mudah ialah kod genetik kita - pelan tindakan semua maklumat kita yang disimpan dalam DNA - dihantar dengan cekap dari satu generasi ke generasi seterusnya secara berulang. Semua syarikat gergasi perisian dan perkakasan berminat untuk menggunakan DNA sintetik untuk menyimpan sejumlah besar bagi mencapai matlamat mereka untuk menyelesaikan arkib data jangka panjang. Ideanya adalah untuk terlebih dahulu menukar kod komputer 0s dan 1s ke dalam kod DNA (A, C, T, G), kod DNA yang ditukar kemudiannya digunakan untuk menghasilkan untaian sintetik DNA yang kemudiannya boleh dimasukkan ke dalam simpanan sejuk. Bila-bila masa diperlukan, untaian DNA boleh dikeluarkan dari storan sejuk dan maklumatnya didekod menggunakan mesin penjujukan DNA dan jujukan DNA akhirnya diterjemahkan kembali kepada format komputer binari 1s dan 0s untuk dibaca pada komputer.
Ia telah ditunjukkan1 bahawa hanya beberapa gram DNA boleh menyimpan quintillion byte data dan mengekalkannya utuh sehingga 2000 tahun. Walau bagaimanapun, pemahaman mudah ini telah menghadapi beberapa cabaran. Pertama, ia agak mahal dan juga sangat lambat untuk menulis data kepada DNA iaitu penukaran sebenar 0s dan 1s kepada asas DNA (A, T, C, G). Kedua, apabila data "ditulis" pada DNA, adalah mencabar untuk mencari dan mendapatkan semula fail dan memerlukan teknik yang dipanggil DNA penjujukan – proses menentukan susunan tepat asas dalam a DNA molekul -selepas itu data dinyahkod kembali kepada 0s dan 1s.
Satu kajian baru-baru ini2 oleh saintis dari Microsoft Research dan University of Washington telah mencapai "akses rawak" pada penyimpanan DNA. Aspek "akses rawak" adalah sangat penting kerana ia bermakna maklumat boleh dipindahkan ke atau dari tempat (biasanya memori) di mana setiap lokasi, tidak kira di mana dalam urutan dan boleh diakses secara langsung. Menggunakan teknik capaian rawak ini, fail boleh diambil daripada storan DNA secara terpilih berbanding sebelum ini, apabila pengambilan sedemikian memerlukan keperluan untuk menyusun dan menyahkod keseluruhan set data DNA untuk mencari dan mengekstrak beberapa fail yang dikehendaki. Kepentingan "akses rawak" dipertingkatkan lagi apabila jumlah data meningkat dan menjadi besar kerana ia mengurangkan jumlah penjujukan yang perlu dilakukan. Ia adalah buat pertama kalinya akses rawak ditunjukkan pada skala yang begitu besar. Penyelidik juga telah membangunkan algoritma untuk menyahkod dan memulihkan data dengan lebih cekap dengan lebih toleransi terhadap ralat data menjadikan prosedur penjujukan juga lebih pantas. Lebih daripada 13 juta oligonukleotida DNA sintetik telah dikodkan dalam kajian ini iaitu data bersaiz 200MB yang terdiri daripada 35 fail (mengandungi video, audio, imej dan teks) bersaiz antara 29KB hingga 44MB. Fail ini telah diambil secara individu tanpa ralat. Selain itu, pengarang telah mencipta algoritma baharu yang lebih teguh dan bertolak ansur dengan ralat dalam menulis dan membaca urutan DNA. Kajian ini diterbitkan dalam Alam Bioteknologi dalam kemajuan besar yang menunjukkan sistem berskala besar yang berdaya maju untuk penyimpanan dan pengambilan DNA.
Sistem storan DNA kelihatan sangat menarik kerana ia mempunyai ketumpatan data yang tinggi, kestabilan yang tinggi dan mudah disimpan tetapi ia jelas mempunyai banyak cabaran sebelum ia boleh diterima pakai secara universal. Beberapa faktor ialah penyahkodan DNA (penjujukan) yang memerlukan masa dan buruh dan juga sintesis DNA. Teknik ini memerlukan lebih ketepatan dan liputan yang lebih luas. Walaupun kemajuan telah dibuat dalam bidang ini, format yang tepat di mana data akan disimpan dalam jangka panjang sebagai DNA masih berkembang. Microsoft telah berikrar untuk meningkatkan pengeluaran DNA sintetik dan menangani cabaran untuk mereka bentuk yang beroperasi sepenuhnya DNA sistem storan menjelang 2020.
***
{Anda boleh membaca kertas penyelidikan asal dengan mengklik pautan DOI yang diberikan di bawah dalam senarai sumber yang dipetik}
Sumber (s)
1. Erlich Y dan Zielinski D 2017. Air Pancut DNA membolehkan seni bina storan yang mantap dan cekap. Sains. 355(6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L et al. 2018. Akses rawak dalam storan data DNA berskala besar. Bioteknologi Alam Semula Jadi. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
