Co to jest przechowywanie danych DNA? Czy to przyszłość pamięci masowej?

Przez dziesięciolecia technologia pamięci masowej ewoluowała i stawała się coraz lepsza. Przeniósł się z płyt CD i dyskietek na dyski twarde i półprzewodnikowe. Ale wciąż mamy problem: ilość dostępnej i produkowanej pamięci nie jest w stanie poradzić sobie z danymi, które wciąż produkujemy.

Czy przechowywanie DNA rozwiąże problem? Czy dane mogą być przechowywane w DNA?

Co to jest przechowywanie danych DNA?

Przechowywanie danych DNA to proces wykorzystywania cząsteczek DNA jako nośnika pamięci. W przeciwieństwie do obecnych obecnie optycznych i magnetycznych form technologii przechowywania, dane DNA nie będą przechowywane w postaci cyfr binarnych (tj. jedynek i zer). Zamiast tego byłyby kodowane w nukleotydowych zasadach DNA (A, C, G, T) i przechowywane. W razie potrzeby pasma te są następnie konwertowane na cyfry binarne.

Obecnie istnieje ponad 11 bilionów gigabajtów danych, z co najmniej 2,5 milionami gigabajtów dodawanych każdego dnia. Nośniki danych dostępne na świecie nie nadążają za tym ogromnym wzrostem. Przechowywanie DNA jest jednym z rozwiązań tego problemu przechowywania.

Jak działa przechowywanie danych DNA?

DNA oznacza kwas dezoksyrybonukleinowy. Jest to złożona cząsteczka organiczna, która przenosi informację genetyczną żywej istoty. Występuje u wszystkich ludzi i przechowuje informacje, takie jak kolor skóry, kolor oczu, wzrost oraz inne cechy fizyczne i biologiczne.

Spirala DNA składa się z wielu i naprzemiennych par czterech unikalnych zasad. Są to adenina (A), guanina (G), cytozyna (C) i tymina (T). Te zasady są przyłączone do spirali DNA parami, zwanych parami zasad. Dwie pary zasad to adenina-tymina i guanina-cytozyna.

Dane są przechowywane w cyfrach binarnych (1s i 0s) w tradycyjnym przetwarzaniu. W przechowywaniu danych DNA cztery zasady nukleotydowe (A, C, G, T) przechowują i kodują dane. Informacje są przechowywane w permutacjach trzech zasad nukleotydowych, zwanych kodonami.

Przechowywanie DNA obejmuje trzy procesy: kodowanie danych, ich syntezę i przechowywanie oraz dekodowanie. Kody binarne zawierające informacje są tłumaczone na kody DNA lub kodony za pomocą algorytmu. Następnie są umieszczane w pojemniku w chłodnym i regulowanym środowisku. Informacje zawierające DNA można zamrozić w roztworze, przechowywać w postaci kropelek lub przechowywać na chipach krzemowych.

Naukowcy pracują nad szybszym i tańszym odczytywaniem przechowywania DNA. Obecnie dane przechowywane w DNA muszą zostać zabrane do laboratorium, aby zostały zdekodowane na bezbłędne informacje binarne, co zajmuje dużo czasu.

W związku z tym może minąć trochę czasu, zanim urządzenia do przechowywania danych DNA staną się łatwo dostępnymi, tanimi urządzeniami, z których będą korzystać ludzie.

Więcej badań poświęconych jest technologii przechowywania DNA i nie obali ona jeszcze łatwo istniejących metod przechowywania. Ale za kilka lat, w miarę dokonywania kolejnych badań i przełomów technologicznych, dane będą przechowywane w DNA, rozwiązując problemy przestrzeni kosmicznej, bezpieczeństwa i degradacji.

Jaka jest pojemność przechowywania danych DNA?

Przechowywanie danych DNA jest preferowanym rozwiązaniem problemu braku pamięci, ponieważ może przechowywać duże ilości danych na bardzo małej przestrzeni. Jeden gram DNA może pomieścić 215 petabajtów danych. Petabajt to 1024 terabajty. Tak więc jeden gram DNA może pomieścić około 220 160 terabajtów.

Porównaj to z obecną technologią: jeden terabajtowy dysk twardy waży około 400 gramów. Tak więc, aby przechowywać równoważną ilość danych przechowywanych przez jeden gram DNA, potrzebujesz ponad 88 milionów gramów dysków twardych.

Dzięki tym informacjom naukowcy twierdzą, że wszystkie dane na świecie mogą teraz zmieścić się w pudełku po butach, korzystając z przechowywania danych DNA.

Jakie są zalety przechowywania danych DNA?

Używanie przechowywania DNA jako nośnika pamięci ma wiele zalet w porównaniu z przechowywaniem cyfrowym. Zapewnia dużą pojemność przechowywania danych, znacznie dłuższą żywotność niż inne formy przechowywania, kompaktowość, niską podatność na awarie techniczne i elektryczne oraz powtarzalność.

Gęstość przechowywania

Główną zaletą przechowywania DNA w porównaniu z innymi nośnikami pamięci jest gęstość przechowywania. Nawet jeśli ty przechowuj swoje dane zdalnie w chmurze lub NAS, nadal są przechowywane na dużych serwerach i centrach danych. Te centra danych są wielkości stadionów piłkarskich, a ich budowa i utrzymanie kosztuje miliardy dolarów. To nie to samo z przechowywaniem danych DNA.

Przechowywanie danych DNA umożliwia przechowywanie ogromnych ilości danych na bardzo kompaktowej przestrzeni. Tym samym zmniejszamy problemy związane z przestrzenią, kosztami utrzymania i brakiem sprzętu magazynowego.

Trwałość

Dostępne dziś cyfrowe urządzenia pamięci masowej są dalekie od trwałości. Wszyscy są podatni na rozkład i degradację. Rozpad cyfrowy to stopniowy rozkład danych przechowywanych na komputerze, co roku dotyka miliony ludzi.

Okres półtrwania DNA wynosi 500 lat. Przechowywane w optymalnym i regulowanym środowisku dane przechowywane w DNA mogą być dostępne przez setki lat.

Powtarzalność

Ze względu na degradację danych dane w centrach danych muszą być kopiowane i przenoszone na inny sprzęt po pewnym czasie, aby zachować przechowywane informacje. Ten proces jest często uciążliwy.

Dane przechowywane w DNA można łatwo replikować. Jedną z metod przetestowanych przez naukowców jest wprowadzenie DNA z przechowywanymi informacjami do bakterii. Ta bakteria następnie się rozmnaża—na własną rękę—inne pokolenie bakterii, które posiadają te same informacje zapisane w pierwszym DNA bez żadnych błędów lub strat.

Czy przechowywanie danych DNA to przyszłość pamięci masowej?

Szczerze mówiąc, tak. Przechowywanie danych DNA z pewnością spełnia wszystkie wymagania dotyczące dzisiejszych problemów z przechowywaniem. Jest już używany dzisiaj przez firmy, które chcą zachować obszerne archiwa informacji, do których nie trzeba regularnie uzyskiwać dostępu.

Niestety, minie trochę czasu, zanim przechowywanie DNA stanie się powszechną i niedrogą opcją przechowywania dostępną publicznie. W międzyczasie musimy starannie wybrać najlepszy format przechowywania do długoterminowego przechowywania danych.

Dyski twarde, dyski SSD, dyski flash: jak długo wytrzymają Twoje nośniki pamięci?

Czytaj dalej

O autorze