DNA: Από θεμέλιος λίθος της ζωής, σκληρός δίσκος του μέλλοντος
Γιάννης Παλιούρης
Shutterstock
Δεδομένα. Είναι εδώ, στις γραμμές αυτού του άρθρου. Βρίσκονται παντού. Αποτελούν κατά κοινή παραδοχή τη μαγιά για την Οικονομία του αύριο, την Οικονομία των Δεδομένων. Με τα data να συνιστούν πια κινητήριο δύναμη πίσω από κάθε δραστηριότητα, η ικανότητα να τα διατηρούμε και να τα χρησιμοποιούμε, δεν είναι απλά σημαντική, αλλά κρίσιμη. Κάπου εδώ, όμως, αρχίζουν τα προβλήματα. Παράγουμε data με ασύλληπτο ρυθμό και ο κίνδυνος να ξεμείνουμε από παραδοσιακούς αποθηκευτικούς χώρους δεν είναι πια αμελητέος.
Το 2012 η ανθρωπότητα παρήγαγε 4,4 zettabytes δεδομένων (1 zettabyte ισούται με ένα τρισεκατομμύριο gigabytes). Σύμφωνα με εκτιμήσεις της IDC η ετήσια παραγωγή δεδομένων το 2025 θα εκτοξευτεί στα 175 zettabytes! Με άλλα λόγια είναι ζήτημα χρόνου να εξαντληθούν οι δυνατότητες των παραδοσιακών μεθόδων αποθήκευσης, κάτι που υπολογίζεται να συμβεί το 2040.
Αν, όμως, το πυρίτιο και τα παράγωγά του έχουν πεπερασμένες δυνατότητες, υπάρχει ένα άλλο Μέσο εξόχως πιο αποδοτικό: ο γενετικός μας κώδικας. Εκατομμύρια φορές πιο αποτελεσματικός στην αποθήκευση δεδομένων από τις υπάρχουσες λύσεις, οι οποίες είναι δαπανηρές και χρησιμοποιούν τεράστια ποσά ενέργειας και χώρου, θα μπορούσε να μας απαλλάξει από τους σκληρούς δίσκους. Υπολογίζεται, μάλιστα, ότι όλα τα ψηφιακά δεδομένα στον πλανήτη χωράνε σε μερικές εκατοντάδες κιλά DNA.
Η χρήση του DNA ως μέσου αποθήκευσης δεδομένων υψηλής πυκνότητας εξετάζεται εδώ και αρκετά χρόνια. Ωστόσο, μέχρι σήμερα δεν κατορθώσαμε να ξεπεράσουμε τα τεχνικά προβλήματα που θα επέτρεπαν την κλιμάκωση της τεχνολογίας. Τώρα ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Northwestern προτείνουν μια νέα μέθοδο καταγραφής πληροφοριών στο DNA, η οποία απαιτεί λεπτά, παρά ώρες ή ημέρες, για να ολοκληρωθεί.
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ένα νέο ενζυματικό σύστημα για τη σύνθεση DNA που καταγράφει τα γρήγορα μεταβαλλόμενα περιβαλλοντικά σήματα απευθείας σε αλληλουχίες γενετικού κώδικα. Η εργασία με τίτλο «Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis» δημοσιεύτηκε στις 30 Σεπτεμβρίου 2021, στην επιθεώρηση της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας και σύμφωνα με τους συγγραφείς της έχει ως τελικό στόχο να αξιοποιήσει τις φυσικές ικανότητες του DNA ώστε να δημιουργήσει μια νέα λύση για την αποθήκευση δεδομένων.
Η μέθοδος ex vivo (εκτός ζώντος οργανισμού) για να γίνει αυτό περιλαμβάνει μια αργή, χημική σύνθεση. Η μέθοδος των ερευνητών του Πανεπιστημίου Northwestern είναι πολύ φθηνότερη και ταχύτερη επειδή το ένζυμο που συνθέτει το DNA επιτρέπει άμεσο χειρισμό.
Οι υπάρχουσες μέθοδοι για την καταγραφή ενδοκυτταρικών μοριακών και ψηφιακών δεδομένων σε DNA βασίζονται σε διαδικασίες πολλαπλών μερών που προσθέτουν νέα data σε υπάρχουσες γενετικές αλληλουχίες. Για μία ακριβή καταγραφή, απαιτείται η διέγερση και η καταστολή στην έκφραση συγκεκριμένων πρωτεϊνών, διαδικασία που μπορεί να πάρει πάνω από 10 ώρες για να ολοκληρωθεί.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια νέα μέθοδο, που ονόμασαν «Χρονικά Ευαίσθητη Ηχογραφημένη Εγγραφή» για να συνθέσουν εντελώς νέο μόριο DNA αντί δημιουργήσουν αντίγραφο, κάτι που επιτρέπει ταχύτερες εγγραφές, υψηλότερης ανάλυσης. Καθώς η DNA πολυμεράση συνεχίζει να προσθέτει βάσεις, τα δεδομένα καταγράφονται στον γενετικό κώδικα εντός ολίγων λεπτών. Αλλαγές, όπως οι μεταβολές στη συγκέντρωση των μετάλλων, καταγράφονται από την πολυμεράση, λειτουργώντας ως «μοριακή ταινία κολλήματος».
Εκτός από την αποθήκευση, η λειτουργία «ticker tape» θα μπορούσε να έχει ρόλο βιοαισθητήρα για την παρακολούθηση συγκέντρωσης ρύπων στο περιβάλλον, όπως βαρέων μετάλλων στο πόσιμο νερό.
Το αν οι προσδοκίες επιβεβαιωθούν τις προσδοκίες μένει να αποδειχθεί. Το ότι, όμως, το μέλλον του storage θα έχει και βιολογική υπογραφή θα πρέπει να θεωρείται δεδομένο. Πριν λίγες ημέρες η Catalog, εταιρεία έχει καταφέρει να εγγράψει ψηφιακή πληροφορία σε βιολογικό υλικό και να το αποκωδικοποιήσει στη συνέχεια σε ψηφιακή πληροφορία, εξασφάλισε νέο γύρο χρηματοδότησης 35 εκατομμυρίων δολαρίων για να αναπτύξει εργαλεία υπολογισμού δεδομένων που βασίζονται στο DNA.
Shutterstock
Δεδομένα. Είναι εδώ, στις γραμμές αυτού του άρθρου. Βρίσκονται παντού. Αποτελούν κατά κοινή παραδοχή τη μαγιά για την Οικονομία του αύριο, την Οικονομία των Δεδομένων. Με τα data να συνιστούν πια κινητήριο δύναμη πίσω από κάθε δραστηριότητα, η ικανότητα να τα διατηρούμε και να τα χρησιμοποιούμε, δεν είναι απλά σημαντική, αλλά κρίσιμη. Κάπου εδώ, όμως, αρχίζουν τα προβλήματα. Παράγουμε data με ασύλληπτο ρυθμό και ο κίνδυνος να ξεμείνουμε από παραδοσιακούς αποθηκευτικούς χώρους δεν είναι πια αμελητέος.
Το 2012 η ανθρωπότητα παρήγαγε 4,4 zettabytes δεδομένων (1 zettabyte ισούται με ένα τρισεκατομμύριο gigabytes). Σύμφωνα με εκτιμήσεις της IDC η ετήσια παραγωγή δεδομένων το 2025 θα εκτοξευτεί στα 175 zettabytes! Με άλλα λόγια είναι ζήτημα χρόνου να εξαντληθούν οι δυνατότητες των παραδοσιακών μεθόδων αποθήκευσης, κάτι που υπολογίζεται να συμβεί το 2040.
Αν, όμως, το πυρίτιο και τα παράγωγά του έχουν πεπερασμένες δυνατότητες, υπάρχει ένα άλλο Μέσο εξόχως πιο αποδοτικό: ο γενετικός μας κώδικας. Εκατομμύρια φορές πιο αποτελεσματικός στην αποθήκευση δεδομένων από τις υπάρχουσες λύσεις, οι οποίες είναι δαπανηρές και χρησιμοποιούν τεράστια ποσά ενέργειας και χώρου, θα μπορούσε να μας απαλλάξει από τους σκληρούς δίσκους. Υπολογίζεται, μάλιστα, ότι όλα τα ψηφιακά δεδομένα στον πλανήτη χωράνε σε μερικές εκατοντάδες κιλά DNA.
Η χρήση του DNA ως μέσου αποθήκευσης δεδομένων υψηλής πυκνότητας εξετάζεται εδώ και αρκετά χρόνια. Ωστόσο, μέχρι σήμερα δεν κατορθώσαμε να ξεπεράσουμε τα τεχνικά προβλήματα που θα επέτρεπαν την κλιμάκωση της τεχνολογίας. Τώρα ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Northwestern προτείνουν μια νέα μέθοδο καταγραφής πληροφοριών στο DNA, η οποία απαιτεί λεπτά, παρά ώρες ή ημέρες, για να ολοκληρωθεί.
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ένα νέο ενζυματικό σύστημα για τη σύνθεση DNA που καταγράφει τα γρήγορα μεταβαλλόμενα περιβαλλοντικά σήματα απευθείας σε αλληλουχίες γενετικού κώδικα. Η εργασία με τίτλο «Recording Temporal Signals with Minutes Resolution Using Enzymatic DNA Synthesis» δημοσιεύτηκε στις 30 Σεπτεμβρίου 2021, στην επιθεώρηση της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας και σύμφωνα με τους συγγραφείς της έχει ως τελικό στόχο να αξιοποιήσει τις φυσικές ικανότητες του DNA ώστε να δημιουργήσει μια νέα λύση για την αποθήκευση δεδομένων.
Η μέθοδος ex vivo (εκτός ζώντος οργανισμού) για να γίνει αυτό περιλαμβάνει μια αργή, χημική σύνθεση. Η μέθοδος των ερευνητών του Πανεπιστημίου Northwestern είναι πολύ φθηνότερη και ταχύτερη επειδή το ένζυμο που συνθέτει το DNA επιτρέπει άμεσο χειρισμό.
Οι υπάρχουσες μέθοδοι για την καταγραφή ενδοκυτταρικών μοριακών και ψηφιακών δεδομένων σε DNA βασίζονται σε διαδικασίες πολλαπλών μερών που προσθέτουν νέα data σε υπάρχουσες γενετικές αλληλουχίες. Για μία ακριβή καταγραφή, απαιτείται η διέγερση και η καταστολή στην έκφραση συγκεκριμένων πρωτεϊνών, διαδικασία που μπορεί να πάρει πάνω από 10 ώρες για να ολοκληρωθεί.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια νέα μέθοδο, που ονόμασαν «Χρονικά Ευαίσθητη Ηχογραφημένη Εγγραφή» για να συνθέσουν εντελώς νέο μόριο DNA αντί δημιουργήσουν αντίγραφο, κάτι που επιτρέπει ταχύτερες εγγραφές, υψηλότερης ανάλυσης. Καθώς η DNA πολυμεράση συνεχίζει να προσθέτει βάσεις, τα δεδομένα καταγράφονται στον γενετικό κώδικα εντός ολίγων λεπτών. Αλλαγές, όπως οι μεταβολές στη συγκέντρωση των μετάλλων, καταγράφονται από την πολυμεράση, λειτουργώντας ως «μοριακή ταινία κολλήματος».
Εκτός από την αποθήκευση, η λειτουργία «ticker tape» θα μπορούσε να έχει ρόλο βιοαισθητήρα για την παρακολούθηση συγκέντρωσης ρύπων στο περιβάλλον, όπως βαρέων μετάλλων στο πόσιμο νερό.
Το αν οι προσδοκίες επιβεβαιωθούν τις προσδοκίες μένει να αποδειχθεί. Το ότι, όμως, το μέλλον του storage θα έχει και βιολογική υπογραφή θα πρέπει να θεωρείται δεδομένο. Πριν λίγες ημέρες η Catalog, εταιρεία έχει καταφέρει να εγγράψει ψηφιακή πληροφορία σε βιολογικό υλικό και να το αποκωδικοποιήσει στη συνέχεια σε ψηφιακή πληροφορία, εξασφάλισε νέο γύρο χρηματοδότησης 35 εκατομμυρίων δολαρίων για να αναπτύξει εργαλεία υπολογισμού δεδομένων που βασίζονται στο DNA.
Δεν υπάρχουν σχόλια
Παρακαλούμε σχολιασμούς επί της ουσίας.
Τα σχόλια σας δεν περνάν από έλεγχο γιατί πιστεύουμε ότι δεν θα θίγουν κάποιον προσωπικά με βρισιές και συκοφαντίες.
Τέτοιου είδους σχόλια δεν περνάν από έλεγχο, αλλά θα διαγράφονται μετά την δημοσίευση.
Παρακαλούμε να γράφετε σε πεζά και όχι κεφαλαία
-------------------------------------------------------------------------
Οι απόψεις του ιστολογίου δεν είναι απαραίτητο να συμπίπτουν με τα περιεχόμενα στου άρθρου.
Ο ΔΙΚΤΥΟΥΡΓΟΣ ουδεμία ευθύνη εκ του νόμου φέρει για τα άρθρα - αναρτήσεις που δημοσιεύονται και απηχούν τις απόψεις των συντακτών τους. Σε περίπτωση που θεωρείτε πως θίγεστε από κάποιο εξ αυτών ή ότι υπάρχει κάποιο σφάλμα, επικοινωνήστε μέσω, φόρμας επικοινωνίας.
Ευχαριστούμε