Czy nasze cyfrowe dane trafią z komputerów prosto do DNA?

Jeśli nie będziemy dalej ulepszać technologii przechowywania danych, cała powierzchnia Ziemi w mniej niż 75 lat w całości zostanie pokryta przez centra danych. Wyobraź sobie na przykład ilość danych, które tworzysz i zużywasz za pomocą smartfona w ciągu roku (178,1 mld pobrań aplikacji mobilnych zarejestrowano na całym świecie w 2017 r.). Następnie wyobraź sobie ilość danych obsługiwanych przez gigantów technologicznych, takich jak Google i Apple. To dużo danych na zaledwie dwóch przykładach.

Globalna "datasphere" wkrótce ma wzrosnąć do 175 zettabajtów (175 bilionów gigabajtów) - szacuje się, że nastąpi to maksymalnie do 2025 r. Jakie rozwiązania istnieją w celu trwałego przechowywania tak dużych ilości danych?

Naukowcy byli w stanie zakodować szereg typów danych, w tym Bitcoiny, Wojnę i pokój Tołstoja oraz teledysk do piosenki "Ok Go's To To Shall Pass" do A, C, G i T, które oznaczają cztery cząsteczki (adenina, cytozyna, guanina i tymina) tworzące łańcuch DNA.

Bieżące zarządzanie danymi opiera się na kodzie binarnym (zero-jedynkowym) do przechowywania wszystkich formatów plików, od PDF do MP3, na takich nośnikach jak płyty CD i pamięci USB. Na przykład, aby posłuchać ulubionej piosenki na odtwarzaczu muzyki, najpierw należy ją zapisać w pliku MP3 za pomocą kodu binarnego, a następnie wrzucić na odpowiedni nośnik - na płytę CD czy zdalny nośnik np. chmurę. Twoje urządzenie musi wtedy móc odczytać ten kod i odtworzyć go jako dźwięk w postaci wybranej melodii. 

Używając kodu wykonanego z A, C, G i T, naukowcy byli w stanie zapisać gigantyczne ilości danych w fizycznej cząsteczce tak małej, że jest ledwo widoczna dla ludzkiego oka. Kod binarny na ścieżce na CD tym samym został zastąpiony cząsteczkami syntetycznego DNA. 

Przechowywanie danych w przyszłości

Istnieją również inne unikatowe właściwości, które sprawiają, że syntetyczne DNA jest szczególnie atrakcyjne jako rozwiązanie do przechowywania danych. Obecny sprzęt ma krótki okres przydatności do użycia - większość twardych dysków może funkcjonować nie dłużej niż 5 lat. Nawet rozwiązania do przechowywania w chmurze wykorzystują te same komponenty, które muszą być stale zarządzane i wymieniane, aby zapobiec awariom systemów, co rodzi pytania o ich długoterminową trwałość. Syntetyczne DNA nie podlega takim ograniczeniom, ponieważ przechowywanie danych w tej formie wymaga niewielkiego zarządzania. W niektórych przypadkach żadnego.

W odpowiednich warunkach atmosferycznych (niska temperatura) możliwe jest, że DNA przetrwa nieuszkodzone przez tysiące lat lub dłużej. Oznacza to, że główne archiwa z syntetycznymi DNA mogą z powodzeniem przechowywane być w takich miejscach jak np. koło podbiegunowe - utrzymanie takich placówek nie wymagałoby jakiegokolwiek nakładu energii. Ale nawet komercyjne "chłodziarki" do DNA wymagałyby znacznie mniej zasobów potrzebnych do uruchomienia niż typowe centrum danych. 

Nawet gdyby dyski USB i płyty CD przetrwały wieki, technologia tego typu zbyt szybko staje się przestarzała. Jak pokazał już nam przykład dyskietki, w ciągu kilku lat łatwo możemy stracić dostęp do sprzętu, który może odczytywać te nośniki, ponieważ są one zastępowane przez nowsze i bardziej wydajne technologie. DNA jest po raz kolejny wyjątkiem od reguły. Dopóki ludzie interesują się zdrowiem i różnorodnością biologiczną, jest pewne, że wkrótce pojawi się maszyna, która będzie mogła zapisywać i odczytywać DNA. Taka technologia nigdy nie zostanie odrzucona i pozostanie aktualna tak długo, jak ludzie będą się nią zajmować. 

Ograniczenia

Chociaż przechowywanie DNA może brzmieć jak rewolucyjne medium, które zmieni sposób przechowywania i zarządzania naszą muzyką, zdjęciami i innymi plikami, istnieją znaczne ograniczenia tej metody. Oznacza to, że ​​całkowite zastąpienie tradycyjnych nośników danych, takich jak dyski twarde czy systemy chmurowe, może być bardzo trudne.

Obecnie tworzenie syntetycznego DNA jest procesem powolnym i kosztownym i nie jest jeszcze opłacalne komercyjnie. Warto jednak nadmienić, że liczne start-upy technologiczne pracują obecnie nad bardziej efektywnymi kosztowo sposobami zapisu danych w DNA. Istnieją kluczowe wyzwania, które należy pokonać, aby skutecznie skalować przechowywanie danych w DNA. Budowanie łańcucha z odpowiednią literą A, C, G lub T w każdym miejscu jest trudnym zadaniem z technologicznego punktu widzenia. Zarządzanie reakcją chemiczną zachodzącą na tak małą skalę wymaga metod o wysokiej precyzji i nie zawsze łatwo jest uzyskać dokładny wynik. Im dłuższy łańcuch syntetycznego DNA, tym więcej błędów jest wprowadzanych, co oznacza, że ​​trudniej jest stworzyć system, który może niezawodnie przechowywać i odzyskiwać informacje.

Obecne metody przechowują każdy plik komputerowy w szeregu krótszych łańcuchów DNA, które należy następnie ponownie złożyć w odpowiedniej kolejności. Łatwiej powiedzieć, niż zrobić! Niektóre błędy w naszych informacjach nie są niczym niezwykłym - każdy, kto korzysta z telefonu komórkowego lub ogląda telewizję, jest świadomy momentu, w którym coś pójdzie nie tak. Z DNA jest inaczej, co oznacza, że potrzebna jest skuteczna i precyzyjna technika korekcji błędów.

Jak można wykorzystać przechowywanie danych DNA?

Pierwsze komercyjne wykorzystanie pamięci masowej DNA będzie prowadzone przez firmy i osoby prywatne, które są gotowe sporo zapłacić, aby mieć innowacyjne rozwiązanie do przechowywania danych. Takie, które sprawia, że przechowywanie jest łatwe i utrzymuje dane przez bardzo długi czas.

Na przykład banki będą mogły stosować tę technologię do prowadzenia kompleksowej dokumentacji finansowej obejmującej dziesięciolecia, a w przyszłości setki lat. Wpisywanie i utrzymywanie zapisów prawa jest kolejnym potencjalnym zastosowaniem. W Anglii może to oznaczać, że archiwa prawa nie będą już zależne od formalnych zapisów odręcznych przechowywanych na koziej skórze (tak, ma to miejsce). 

Podsumowując, choć mało prawdopodobne jest, aby przechowywanie danych DNA stały się na tyle tanie, aby zastąpić nasze chmury i dyski twarde, wciąż mają potencjał, aby wnieść rewolucyjny wkład w przechowywanie danych przez ludzkość.