DNA depolama, insan veri krizini kurtarmanın en iyi yolu mu?
Görüntü kaynağı @ panoramik görüş
Metin Beyin Kutupsal Gövdesi
Bir beyin açın: Dünya, yakın zamanda yıkıcı bir yıldızlararası felaketle karşı karşıyaysa ve insanlar yeryüzünün yaşamını ve uygarlığını olabildiğince korumak istiyorsa, mevcut koşullar altında ne yapmalılar?
Liu'nun yaptığı gibi dünyanın dönüşünü durdurmak ve güneş sisteminden kaçmak için çok geç olabilir. Ve eğer Nuh'un Gemisi gibi, tek bir beyin insan, hayvan, bitki ve insan bilgisini uzay aracına taşırsa, mevcut roket taşıma kapasitesi bu malzemelerin milyarda birini tutamayabilir.
Yeryüzündeki canlıları olabildiğince ve olabildiğince uzun süre muhafaza etmek istiyorsak, sadece uzay aracının düşük sıcaklık ortamında yüzbinlerce yıl boyunca korunabilen tüm türlerin DNA dizilim bilgilerini toplamamız ve paketlememiz gerekir; peki ya insan uygarlığı ? Bu bilginin en verimli biçiminin veri olduğunu biliyoruz ve bu veriler çoğunlukla sabit disklerde ve optik disklerde saklanıyor.
Bu sabit disklerin ağırlığı ve veri yoğunluğu düşünüldüğünde, yine cesaretimizin kırılması gerekiyor. Dahası, uzay aracı güneş sisteminden kaçmamış olabilir ve bu veriler sabit diskin veya optik diskin ömrünün sona ermesi nedeniyle kaybolacak.
Öyleyse DNA, verileri ve bilgileri depolamak için bir sabit disk olarak kullanılabilir mi? Cevap Evet.
DNA kesinlikle gezegendeki en eski yaşam bilgisi depolama aracıdır ve aynı zamanda veri ve bilgi için bir depolama ortamı olarak da kullanılabilir ve depolama yoğunluğu ve hizmet ömrü, mevcut disk depolama çözümlerinin çok ötesindedir. Bu nedenle, DNA depolama, insanlık tarafından veri depolamanın geleceği olarak görülüyor ve insanlığın veri depolama krizini kurtarmak için en iyi alternatif haline geldi.
DNA depolaması bunu tam olarak nasıl yapıyor? Şimdi hangi aşamada gelişiyor? Ticari kullanımın önündeki engeller nelerdir? Bu, tek tek cevaplamamızı gerektirir.
DNA depolaması nasıl çalışır?
DNA depolamanın nasıl çalıştığını anlamadan önce, mevcut iki çözümün, manyetik depolama ve optik depolamanın ilkelerini kısaca anlıyoruz.
Manyetik depolamanın ilkesi, enerji verildiğinde bir elektromanyetik etki oluşturmak için bir metal malzeme üzerine manyetik bir ortamı kaplamaktır; bu, 0101 ikili bilgisini depolayabilir ve ifade edebilir. Manyetik depolamalı sabit diskin avantajı, giriş ve okuma hızının hızlı olmasıdır, ancak dezavantajı, veri yoğunluğunun hacim ve ağırlığa göre daha düşük olmasıdır. 60 yıllık geliştirmeden sonra, 3,5 inçlik bir sabit sürücüde yaklaşık 3 TB veri depolanabilir.
Optik depolamanın ilkesi, dijital olarak kodlanmış video ve sesi optik diskin yüzeyindeki oluklarda depolamak ve yazmak ve ardından bu oluklardaki verileri aktarım veya oynatma için bir lazer aracılığıyla okumaktır. Şu anda, optik depolama da depolama sınırlarını yaşıyor. Daha fazla veri depolamak istediğiniz için, oluk daha küçük ve daha kompakt olmalı ve lazerin hassasiyeti daha yüksek olmalıdır. Şu anda, tek katmanlı bir Blu-ray disk 25 GB'tan fazla bilgi depolayabilir, başka bir ultraviyole lazer başarıyla geliştirilirse disk kapasitesi 500 GB'a ulaşabilir.
Manyetik depolama ve optik depolama ile karşılaştırıldığında, DNA depolamanın avantajları nelerdir?
Birincisi, yerden tasarruf etmektir. Bununla birlikte, bu tek katmanlı yassı depolama yöntemleri, DNA'nın çift sarmal üç boyutlu yapısına kıyasla depolama kapasitesinde birkaç büyüklük farklılığına sahiptir. DAN'ın fiziksel gövdesi küçük ve üç boyutludur ve birim alan başına veri yoğunluğu çok yüksektir. Basit bir örnek olarak, 1 gram DNA parmak uçlarınızdaki bir çiy damlası boyutundan daha küçüktür, ancak 700 TB veri depolayabilir, bu da 50 GB kapasiteli 14.000 Blu-ray diske veya 2333 TB sabit sürücüye (yaklaşık 151 kg) eşdeğerdir.
Dahası, çok enerji verimlidir. Bir veri merkezi gibi mevcut depolama yöntemleri, büyük miktarda monokristal silikon tüketir ve aynı zamanda büyük miktarda elektrik tüketir. DNA materyalinin yalnızca serin ve kuru bir yerde saklanması gerekir ve temelde ek bir manuel bakım gerekmez. DNA'nın dondurulması gerekse bile, tüketilen kaynaklar ve enerji neredeyse yok denecek kadar azdır.
Ayrıca en önemli nokta depolama süresinin çok uzun olmasıdır. Günümüzde, yüksek yoğunluklu anılar zamanla çürüyecek En uzun saklama süresi 50 yıllık bir ömrü olan manyetik banttır ve diğer anıların ömrü daha kısadır. Buna karşılık, DNA'nın raf ömrü yüz yıl içinde hesaplanır, dondurulursa binlerce, hatta onbinlerce yıl saklanabilir.
Görünüşe göre insan uygarlığı için bir kurtarma planı var, ancak DNA depolaması nasıl yapılır?
Hepimizin bildiği gibi, DNA dört tamamlayıcı nitrojenli baz çiftinden oluşur - A, T, C ve G. Bilim adamları adenin (A), guanin (G), sitozin (C) ve timini (T) İkili değerler (A ve C = 0, G ve T = 1) ve ardından gen dizisini mikroakışkan çip aracılığıyla sentezler, böylece dizinin konumu ilgili veri setiyle eşleşir. Bu şekilde, bu baz çiftleri 1 ve 0 kombinasyonuna kodlanır ve DNA'nın sekans bilgisi ikili dili ifade etmek için kullanılabilir.
DNA dizisine her ikili dil yazdığınızda, "DNA sabit diskini" depolama için düşük sıcaklıklı bir ortama koyabilirsiniz. Verileri okumanız gerektiğinde, yalnızca hedef DNA'yı sıralamanız, baz çiftini bir ikili koda geri yüklemeniz ve ardından kod çözmeyi tamamlamanız gerekir ve bunu ortak verilerimize geri yükleyebilirsiniz.
İlke çok basit ama bilim adamları bunu nasıl yapıyor? Bu, DNA depolama teknolojisinin geçmişinin kısa bir incelemesidir.
DNA depolaması günümüze kadar nasıl adım adım gelişti?
Bu yöntemi ilk düşünen kişi, 1988'de Harvard araştırmacıları ile Microvenus (Küçük Venüs) adlı 7 * 5 piksellik bir matris fotoğrafı 35 tabana dönüştürmek için işbirliği yapan bir sanatçı olan Joe Davis'ti. Bazın DNA dizisi E. coli'ye yerleştirildi ve ilk kez DNA'ya doğal evrime ait olmayan bilgiler yazıldı.
(Microvenus kadınları ve dünyayı temsil eder)
2010 yılında Amerikalı sentetik biyolog Craig Venter, "Synthia" adlı tüm Mycoplasma genom DNA'sını kimyasal olarak sentezlemek için bir araştırma ekibine liderlik etti ve bunu "kendi kendine eğlence" olarak kullandı. Bu sayede yeni sentezlenen DNA'ya araştırmacının adı, enstitünün web sitesi ve İrlandalı şair James'in şiiri gibi bilgiler kodlanıyor.
2011 yılında, Harvard Üniversitesi'nden sentetik biyolog George Kilisesi ve California Üniversitesi'nden Sriram Kosuri'nin liderliğindeki ekip ve Johns Hopkins Üniversitesi'nden genom uzmanı Yuan Gao ) İlk kavram kanıtlama deneyi yapıldı. Ekip, 659 KB'lık bir Church'ün verilerini kodlamak için kısa DNA parçaları kullandı.
2013 yılında, Avrupa Biyoinformatik Enstitüsü'nden (EBI) Nick Goldman ve araştırma ekibi, Shakespeare'in sonelerini ve Martin Luther King'in "Bir hayalim var" ı da başarıyla dahil etti. Konuşma parçaları ve Watson ve Crick'in DNA çift sarmal kağıdının bir kopyasını içeren beş belge, DNA parçalarına derlendi. 739 KB veri, o zamanki en büyük DNA depolama dosyası haline geldi.
2016'da Microsoft ve Washington Üniversitesi, DNA bilgi depolama teknolojisinde bir sıçrama haline gelen yaklaşık 200 MB verinin depolanmasını tamamlamak için DNA depolama teknolojisini kullandı.
Temmuz 2017'de "Nature", Harvard Tıp Fakültesi'nden Seth Shipman ve George Church tarafından canlı DNA depolaması üzerine bir çalışma yayınladı. E. coli'nin DNA'sına 130 yıl önce siyah beyaz bir film "Koşan At" koydular. E. coli'de "garip bir DNA" olmasına rağmen, sadece normal olarak hayatta kalamaz, aynı zamanda onu normal olarak miras alır, her çoğaldığında bir veri kopyasıdır. Genomda depolanan filmler, E. coli'nin her neslinde bozulmadan korunmuştur.
Bununla birlikte, hücrelerin çoğalması, bölünmesi ve ölümü nedeniyle bilgi hatası riski vardır.Gelecekte veriler güvenlidir.Çoğu durumda, bilgiyi depolayan DNA kuru DNA tozu şeklindedir.Canlı hücrelerin depolanması üzerine yapılan araştırmalar sentetik DNA depolamaya dönüşür.
Aynı yıl, Columbia Üniversitesi ve New York Genom Merkezi, Science dergisinde "DNA çeşmesi" algoritması adı verilen verimli bir DNA depolama stratejisi yayınladı. Bu teknoloji, DNA'nın depolama potansiyelinin maksimize edildiğini, büyük miktarda bilgiyi başarıyla dört DNA bazına sıkıştırarak, yani her bir DNA için 1.6 bitlik veriyi kodlayarak, öncekinden% 60 daha fazla bilgi depoladığını gösterir. Teorik sınıra (1.8 bit) yaklaşılıyor. Bu yöntem, 220 milyon filme eşdeğer olan bir gram DNA'da 215 PB veriyi depolayabilir.
2018'de İrlanda'daki Waterford Teknoloji Enstitüsü'nden (WIT) araştırmacılar, 1 gram E. coli DNA'da 1 ZB veriyi depolayabilen yeni bir DNA depolama yöntemi geliştirdi.
Church'ün ekibi 2019'da Science dergisinde başka bir deneysel sonuç yayınladı. Church tarafından yazılan yaklaşık 53.400 kelimelik "Rejenerasyon: Sentetik Biyoloji Doğanın ve Kendinin Geleceğini Nasıl Değiştirecek" kitabının yanı sıra 11 resim ve bir Java programını bir gramın milyarda birinden daha azına kodladılar. DNA mikroçipi ve daha sonra bu kitabı okumak için DNA dizilimini başarıyla kullandı.
Bu bilimsel araştırmaların hızlı gelişimi aynı zamanda DNA sentez teknolojisinin (veri yazma) ve DNA sıralama teknolojisinin (veri okuma) olgunlaştığı anlamına gelir. Ancak aynı zamanda, DNA kodlama sürecinde hala depolama / okuma hızı ve maliyet sorunları var ve DNA depolaması hala ticarileştirme yolunda.
DNA Depolamasının Ticarileştirilmesindeki Sorunlar ve İlerleme
Laboratuvarda, DNA depolamanın karmaşık olmadığı görülüyor, ancak ticarileştirmede hala bazı sorunlar var.
Öncelikle depolama ve okuma hızları çok yavaş. DNA depolama cihazlarının erişim hızı çok yavaştır ve erişim de zaman alıcıdır. Disklerde depolanan elektromanyetik sinyallerle karşılaştırıldığında, DNA sentezi bir dizi kimyasal reaksiyona dayanır. Bir diskten 200 MB veri yazmak 1 saniyeden az sürer ve DNA sentezini kullanmak yaklaşık 3 hafta sürer.
İkinci olarak, DNA ortamının üzerine yazılamaz ve yeniden yazılamaz. Bilgi DNA'da saklandıktan sonra, genel anlamda değiştirilemez. Bu belgeyi okumak için, kod dönüştürmeden önce tüm bilgileri sıralamanız gerekir.
Üçüncüsü, veri depolamanın doğruluğunun iyileştirilmesi gerekiyor. Şu anda, DNA dizilimi sırasında tekrarlanan okumalar, okuma hataları olasılığının yüksek olmasına yol açmaktadır.
Dördüncüsü, rastgele okuryazarlık zordur. Mevcut DNA sentez teknolojisi tek seferde daha uzun DNA molekülleri üretemez ve yalnızca çok sayıda kısa fragmanı sentezleyebilir. Bu, birçok küçük DNA fragmanından oluşan bir karışımda spesifik verilerin hızlı bir şekilde alınmasını zorlaştırır.
Son olarak ve en önemlisi, DNA depolama maliyetleri çok yüksektir. Örneğin, 200 MB verinin DNA depolaması şu anda 800.000 ABD dolarına mal olurken, elektronik ekipman 1 ABD dolarından daha düşük maliyetlidir.
Ancak yukarıda belirtildiği gibi, daha uzun bir zaman ölçeğine ve veri depolama alanının baskısı altına yerleştirilirse, DNA, büyük depolama yoğunluğu, yüksek enerji tasarrufu ve çevre koruması ve ultra uzun stabilite gibi benzersiz avantajlara sahiptir. Depolama ve okuma teknolojisinin gelişimi, DNA kodlama ve sıralamanın verimliliğini artırdığı ve maliyet önemli ölçüde düştüğü sürece, DNA depolaması ticari uygulamalardan uzak değildir.
Peki şu anda ticarileştirmede ne gibi bir ilerleme var?
2015 yılında Microsoft ve Washington Üniversitesi, bilgilerin sabit noktadan okunmasını kullanan, yani uzun bir DNA zincirine bazı izleme işaretleri ekleyen bir sonuç yayınladı. İndeksleme mekanizmasına benzer bu belirteçlerle, her seferinde tam DNA zincirinin dizilişini beklemeden okumak için uygun belirteçleri seçmek mümkündür.
2018'de okuma teknolojisi başka bir atılım gerçekleştirdi.Microsoft, DNA ortam dizisinin her bir DNA tabanını okumak için küçük bir nanogözenek içinden geçmesine izin veren "nanogözenek" okuma teknolojisini geliştirdi. Bu teknoloji, okuma cihazının alan harcamasını büyük ölçüde azaltır.Avuç içi boyutunda bir USB cihazı okunabilir, ancak okuma hızı saniyede yaklaşık birkaç KB'dir ve bunun hala oldukça yavaş olduğu söylenebilir.
Mart 2019'da Microsoft ekibi Nature'da yeni bir geliştirme yayınladı ve dünyanın ilk otomatik DNA depolama ortamını geliştirdiler. Manuel DNA sentezi ve dizileme ile karşılaştırıldığında, otomatik bir şekilde DNA kodlama ve kod çözme gelecekteki ticarileştirme için bir çıkış yolu.
Ayrıca, DNA saklama ve okuma süresi ve maliyet sorunları ile ilgili olarak 2016 yılında kurulan ABD'li start-up şirketi Catalog da çözmeye çalışıyor.
Katalog geçen yıl, bir DNA molekülü üzerinde toplam 16G Wikipedia İngilizce metni depoladı. Bu verileri DNA'ya 4Mbps hızında kaydetmek için bir DNA yazıcı cihazı kullandılar. Bu, 125GB'ın bir günde kaydedilebileceği anlamına gelir; bu, kabaca ileri teknoloji cep telefonlarının depolama kapasitesine eşdeğerdir. Bu hız, önceki araştırmanın depolama hızının zaten üç katı.
Şu anda Katalog, daha fazla veri depolayabilen enzimlerle iç içe geçmiş, 20 ila 30 baz çifti uzunluğunda prefabrike sentetik DNA zincirleri kullanmaktadır. Bu parçaların dizilişi, İngilizce'nin 26 harf kullandığı gibi, teoride sayısız kombinasyon oluşturulabilir. Katalog tahminlerine göre, gelecekte 1MB veri DNA depolamanın maliyeti 0,001 sentten daha az olacak.
Elbette, eğer başlangıç şirketi gelecekte maliyetleri gerçekten düşürebilirse, DNA veri depolamasının ticarileştirilmesinin yolunu açmak gerçekten de mümkün.
2019'da DNA veri depolama teknolojisi, Scientific American ve Dünya Ekonomik Forumu tarafından ortaklaşa yayınlanan ilk on küresel gelişen teknoloji arasındaydı.
Manyetik depolamanın ve optik depolamanın, bir süre daha veri depolamanın ana akımını işgal edeceği öngörülebilir. Ancak son yıllarda verinin hızla artması nedeniyle dünyanın sonunun uç durumu olmasa bile insanlık da ciddi bir veri depolama alanı yetersizliği sorunuyla karşı karşıyadır. Aynı zamanda, veri depolama talebindeki artış, silikon gofret kullanımında bir artışa ve bunun sonucunda ortaya çıkan çevre kirliliği, su kaynakları ve enerji tüketimi sorunlarına yol açtı.
DNA depolama teknolojisinin gerçekleştirilmesi, geleneksel depolamanın kapasite sorunlarını bir dereceye kadar hafifletecek ve elektronik bileşenlerin ve enerji tüketimini büyük ölçüde azaltacaktır.
Elbette, erişim teknolojisi ve maliyet kontrolü açısından, DNA depolamayla temsil edilen karbon bazlı depolama yönteminin daha alacağı uzun bir yol var, ancak ticarileşmenin ilerlemesiyle popülerlik ölçeği de hızlanacak. Veri depolama geçmişine bakıldığında, depolama ortamlarının değişimi sürekli değişen ve hızlanan bir süreçtir ve DNA depolaması da ülkemizin dikkatinin ve araştırmasının teknik yönü haline gelmelidir.
