A breakthrough study takes significant step forward in the quest to develop a ה-DNA-based storage system for digital data.
דִיגִיטָלי נתונים is growing at an exponential rate today because of our dependency on gadgets and it requires robust long-term storage. Data storage is slowly becoming challenging because current digital technology is not able to provide a solution. An example being that more digital data has been created in the past two years than in all of history of מחשבים, in fact 2.5 quintillion byte {1 quintillion byte = 2,500,000 Terabytes (TB) = 2,500,000,000 Gigabytes (GB)} of data is being created every day in the world. This includes data on social networking sites, online banking transactions, records of companies and organization, data from satellites, surveillance, research, development etc. This data is huge and unstructured. Therefore, it is now a big challenge to tackle huge storage requirements for data and its exponential growth, especially for organizations and corporations who require robust long-term storage.
האפשרויות הזמינות כיום הן דיסק קשיח, דיסקים אופטיים (תקליטורים), מקלות זיכרון, כונני הבזק וכונן הקלטות המתקדם יותר או תקליטורי BluRay אופטיים המאחסנים בערך עד 10 טרה-בייט (TB) של נתונים. להתקני אחסון כאלה, למרות שהם בשימוש נפוץ, יש חסרונות רבים. ראשית, יש להם חיי מדף נמוכים עד בינוניים והם צריכים להיות מאוחסנים בתנאי טמפרטורה ולחות אידיאליים כדי שיוכלו להחזיק מעמד עשורים רבים ובכך לדרוש חללי אחסון פיזיים שתוכננו במיוחד. כמעט כל אלה צורכים הרבה חשמל, הם מגושמים ולא מעשיים ועלולים להינזק בנפילה פשוטה. חלקם יקרים מאוד, לרוב נגועים בשגיאות נתונים ולכן אינם חזקים מספיק. אפשרות שהתקבלה בכל העולם על ידי הארגון נקראת מחשוב ענן - הסדר שבו חברה שוכרת בעצם שרת "מבחוץ" לטיפול בכל דרישות ה-IT ואחסון הנתונים שלה, המכונה "ענן". אחד החסרונות העיקריים של מחשוב ענן הם בעיות אבטחה ופרטיות ופגיעות להתקפות של האקרים. ישנן גם בעיות אחרות כמו עלויות גבוהות, שליטה מוגבלת על ידי ארגון האם ותלות בפלטפורמה. מחשוב ענן עדיין נראה כאלטרנטיבה טובה לאחסון לטווח ארוך. עם זאת, נראה שהמידע הדיגיטלי שנוצר ברחבי העולם בהחלט עוקף את היכולת שלנו לאחסן אותו ונדרשים פתרונות חזקים עוד יותר כדי לתת מענה למבול הנתונים הזה תוך מתן מדרגיות כדי לקחת בחשבון גם צרכי אחסון עתידיים.
האם DNA יכול לעזור באחסון מחשב?
את העתיד ה-DNA (Deoxyribonucleic acid) is being considered as an exciting alternative medium for digital data storage. ה-DNA is the self-replicating material present in nearly all living organisms and is what constitutes our genetic information. An artificial or synthetic ה-DNA is a durable material which can be made using commercially available oligonucleotide synthesis machines. The primary benefit of DNA is its longevity as a ה-DNA lasts 1000 times longer than silicon (silicon-chip – the material used for building מחשבים). באופן מדהים, רק מילימטר מעוקב בודד של ה-DNA can hold a quintillion of bytes of data! ה-DNA is also an ultracompact material which never degrades and can be stored in a cool, dry place for hundreds of centuries. The idea of using DNA for storage has been around for a long time way back to 1994. The main reason is the similar fashion in which information is being stored in a computer and in our ה-DNA – since both store the blueprints of information. A computer stores all data as 0s and 1s and DNA stores all data of a living organism using the four bases – thymine (T), guanine (G), adenine (A) and cytosine (C). Therefore, DNA could be called a standard storage device, just like a computer, if these bases can be represented as 0s (bases A and C) and 1s (bases T and G). DNA is tough and long-lasting, the simplest reflection being that our genetic code – the blueprint of all our information stored in DNA – is efficiently transmitted from one generation to next in a repeated manner. All software and hardware giants are keen on using synthetic DNA for storing vast amounts to achieve their goal of solving long-term archival of data. The idea is to first convert the computer code 0s and 1s into the DNA code (A, C, T, G), the converted DNA code is then used to produce synthetic strands of DNA which can then be put into cold storage. Whenever required, DNA strands can be removed from cold storage and their information decoded using DNA sequencing machine and DNA sequence is finally translated back to binary computer format of 1s and 0s to be read on the computer.
זה הוצג1 that just a few grams of DNA can store quintillion byte of data and keep it intact for up to 2000 years. However, this simple understanding has faced some challenges. Firstly, it is quite expensive and also painfully slow to write data to DNA i.e. the actual conversion of 0s and 1s to the DNA bases (A, T, C, G). Secondly, once the data is “written” onto the DNA, it is challenging to find and retrieve files and requires a technique called ה-DNA sequencing – process of determining the precise order of bases within a ה-DNA molecule -after which the data is decoded back to 0s and 1s.
מחקר שנערך לאחרונה2 על ידי מדענים מ-Microsoft Research ואוניברסיטת וושינגטון השיגו "גישה אקראית" לאחסון DNA. ההיבט של "גישה אקראית" חשוב מאוד כי זה אומר שניתן להעביר מידע למקום או ממנו (בדרך כלל זיכרון) שבו כל מיקום, לא משנה היכן ברצף וניתן לגשת אליו ישירות. באמצעות טכניקה זו של גישה אקראית, ניתן לאחזר קבצים מאחסון DNA בצורה סלקטיבית בהשוואה לקודם לכן, כאשר אחזור כזה הצריך את הצורך לרצף ולפענח מערך נתונים שלם של DNA כדי למצוא ולחלץ את מעט הקבצים שרצה. החשיבות של "גישה אקראית" עולה עוד יותר כאשר כמות הנתונים גדלה והופכת עצומה מכיוון שהיא מפחיתה את כמות הרצף שצריך לעשות. זו הפעם הראשונה אי פעם שהגישה האקראית הוצגה בקנה מידה כה גדול. חוקרים פיתחו גם אלגוריתם לפענוח ושחזור נתונים בצורה יעילה יותר עם יותר סובלנות לשגיאות נתונים מה שהופך את הליך הרצף למהיר יותר. יותר מ-13 מיליון אוליגונוקלאוטידים של DNA סינתטיים היו מקודדים במחקר זה שהיו נתונים בגודל 200MB המורכבים מ-35 קבצים (המכילים וידאו, אודיו, תמונות וטקסט) בגודל של 29KB עד 44MB. קבצים אלו אוחזרו בנפרד ללא שגיאות. כמו כן, המחברים המציאו אלגוריתמים חדשים שהם חזקים יותר וסובלני שגיאות בכתיבה ובקריאת רצפי ה-DNA. מחקר זה פורסם ב טבע ביוטכנולוגיה בהתקדמות גדולה המראה מערכת בת קיימא בקנה מידה גדול לאחסון ושליפה של DNA.
DNA storage system looks very appealing because it is having high data density, high stability and is easy to store but it obviously has many challenges before it can be universally adopted. Few factors are time and labour-intensive decoding of the DNA (the sequencing) and also synthesis of ה-DNA. The technique requires more accuracy and broader coverage. Even though advances have been made in this area the exact format in which data will be stored in the long-term as ה-DNA is still evolving. Microsoft has vowed to improve production of synthetic DNA and address the challenges to design a fully operational ה-DNA מערכת אחסון עד 2020.
***
{תוכל לקרוא את עבודת המחקר המקורית על ידי לחיצה על קישור ה-DOI המופיע להלן ברשימת המקורות המצוטטים}
מקור (ים)
1. Erlich Y and Zielinski D 2017. DNA Fountain מאפשר ארכיטקטורת אחסון חזקה ויעילה. מַדָע. 355(6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L et al. 2018. גישה אקראית באחסון נתוני DNA בקנה מידה גדול. טבע ביוטכנולוגיה. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
