Eine bahnbrechende Studie ist ein bedeutender Schritt vorwärts bei der Suche nach der Entwicklung eines DNA-basiertes Speichersystem für digitale Daten.
Digital technische Daten Aufgrund unserer Abhängigkeit von Gadgets wächst die Nutzung heute exponentiell und erfordert eine robuste Langzeitspeicherung. Die Datenspeicherung wird langsam zu einer Herausforderung, da die aktuelle digitale Technologie keine Lösung bieten kann. Ein Beispiel dafür ist, dass in den letzten zwei Jahren mehr digitale Daten erstellt wurden als in der gesamten Geschichte von ComputerTatsächlich werden weltweit jeden Tag 2.5 Trillionen Byte {1 Trillion Byte = 2,500,000 Terabyte (TB) = 2,500,000,000 Gigabyte (GB)} an Daten erstellt. Dazu gehören Daten zu sozialen Netzwerken, Online-Banking-Transaktionen, Aufzeichnungen von Unternehmen und Organisationen, Daten von Satelliten, Überwachung, Forschung, Entwicklung usw. Diese Daten sind riesig und unstrukturiert. Daher ist es heute eine große Herausforderung, den enormen Speicherbedarf für Daten und deren exponentielles Wachstum zu bewältigen, insbesondere für Organisationen und Konzerne, die eine robuste Langzeitspeicherung benötigen.
Die derzeit verfügbaren Optionen sind Festplatte, optische Disks (CDs), Speichersticks, Flash-Laufwerke und das fortschrittlichere Bandlaufwerk oder optische Blu-Ray-Discs, die ungefähr bis zu 10 Terabyte (TB) an Daten speichern. Obwohl solche Speichervorrichtungen allgemein verwendet werden, haben sie viele Nachteile. Zum einen haben sie eine geringe bis mittlere Lagerfähigkeit und sie müssen unter idealen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen gelagert werden, um viele Jahrzehnte überdauern zu können und erfordern daher speziell konzipierte physische Lagerräume. Fast alle verbrauchen viel Strom, sind sperrig und unpraktisch und können bei einem einfachen Sturz beschädigt werden. Einige davon sind sehr teuer, oft von Datenfehlern geplagt und damit nicht robust genug. Eine von Unternehmen allgemein akzeptierte Option heißt Cloud Computing – eine Vereinbarung, bei der ein Unternehmen im Wesentlichen einen „externen“ Server für die Abwicklung aller seiner IT- und Datenspeicheranforderungen, die sogenannte „Cloud“, anmietet. Einer der Hauptnachteile von Cloud Computing sind Sicherheits- und Datenschutzprobleme sowie die Anfälligkeit für Hackerangriffe. Hinzu kommen andere Probleme wie hohe Kosten, eingeschränkte Kontrolle durch die Mutterorganisation und Plattformabhängigkeit. Cloud Computing wird nach wie vor als gute Alternative für die Langzeitspeicherung angesehen. Es sieht jedoch so aus, als ob die weltweit generierten digitalen Informationen unsere Fähigkeit, sie zu speichern, sicherlich überholen, und es werden noch robustere Lösungen benötigt, um dieser Datenflut gerecht zu werden und gleichzeitig Skalierbarkeit zu bieten, um auch zukünftige Speicheranforderungen zu berücksichtigen.
Kann DNA bei der Computerspeicherung helfen?
Unsere DNA (Desoxyribonukleinsäure) gilt als spannendes alternatives Medium für die digitale Datenspeicherung. DNA ist das selbstreplizierende Material, das in fast allen lebenden Organismen vorhanden ist und unsere genetische Information ausmacht. Ein künstlicher oder synthetischer DNA ist ein langlebiges Material, das mit handelsüblichen Oligonukleotid-Synthesemaschinen hergestellt werden kann. Der Hauptvorteil der DNA ist ihre Langlebigkeit als DNA hält 1000-mal länger als Silizium (Silizium-Chip – das Material, aus dem gebaut wird). Computer). Erstaunlicherweise nur ein einziger Kubikmillimeter DNA kann eine Trillion Bytes an Daten enthalten! DNA ist außerdem ein ultrakompaktes Material, das niemals zerfällt und an einem kühlen, trockenen Ort Hunderte von Jahrhunderten gelagert werden kann. Die Idee, DNA zur Speicherung zu verwenden, gibt es schon seit langem, bis ins Jahr 1994. Der Hauptgrund ist die ähnliche Art und Weise, wie Informationen in einem Computer und in unserem gespeichert werden DNA – da beide die Blaupausen der Informationen speichern. Ein Computer speichert alle Daten als Nullen und Einsen und die DNA speichert alle Daten eines lebenden Organismus unter Verwendung der vier Basen – Thymin (T), Guanin (G), Adenin (A) und Cytosin (C). Daher könnte DNA wie ein Computer als Standardspeichergerät bezeichnet werden, wenn diese Basen als Nullen (Basen A und C) und Einsen (Basen T und G) dargestellt werden können. DNA ist robust und langlebig. Der einfachste Grund dafür ist, dass unser genetischer Code – der Bauplan aller unserer in der DNA gespeicherten Informationen – effizient und wiederholt von einer Generation zur nächsten weitergegeben wird. Alle Software- und Hardware-Giganten sind daran interessiert, synthetische DNA zur Speicherung großer Mengen zu nutzen, um ihr Ziel zu erreichen, eine Lösung für die Langzeitarchivierung von Daten zu finden. Die Idee besteht darin, zunächst die Nullen und Einsen des Computercodes in den DNA-Code (A, C, T, G) umzuwandeln. Der umgewandelte DNA-Code wird dann zur Herstellung synthetischer DNA-Stränge verwendet, die dann im Kühlhaus aufbewahrt werden können. Bei Bedarf können DNA-Stränge aus dem Kühllager entnommen und ihre Informationen mithilfe einer DNA-Sequenzierungsmaschine entschlüsselt werden. Die DNA-Sequenz wird schließlich wieder in das binäre Computerformat von Einsen und Nullen übersetzt, um auf dem Computer gelesen zu werden.
Es wurde gezeigt1 dass nur wenige Gramm DNA Trillionen Bytes an Daten speichern und diese bis zu 2000 Jahre lang intakt halten können. Dieses einfache Verständnis war jedoch mit einigen Herausforderungen konfrontiert. Erstens ist das Schreiben von Daten in die DNA, also die tatsächliche Umwandlung von Nullen und Einsen in die DNA-Basen (A, T, C, G), ziemlich teuer und auch äußerst langsam. Zweitens ist es, sobald die Daten auf die DNA „geschrieben“ sind, eine Herausforderung, Dateien zu finden und abzurufen, und erfordert eine Technik namens „ DNA Sequenzierung – Prozess der Bestimmung der genauen Reihenfolge der Basen innerhalb eines DNA Molekül – danach werden die Daten wieder in Nullen und Einsen dekodiert.
Eine neuere Studie2 von Wissenschaftlern von Microsoft Research und der University of Washington haben einen „random access“ auf die DNA-Speicherung erreicht. Der Aspekt „Random Access“ ist sehr wichtig, denn er bedeutet, dass Informationen an oder von Orten (in der Regel ein Speicher) übertragen werden können, an denen jeder Ort, egal wo in der Reihenfolge und direkt zugegriffen werden kann. Mit dieser Technik des Direktzugriffs können Dateien im Vergleich zu früher selektiv aus dem DNA-Speicher abgerufen werden, wenn ein solcher Abruf die Sequenzierung und Dekodierung eines gesamten DNA-Datensatzes erforderte, um die wenigen gewünschten Dateien zu finden und zu extrahieren. Die Bedeutung des „random access“ wird mit zunehmender Datenmenge weiter erhöht und wird enorm, da dies die Anzahl der erforderlichen Sequenzierungen verringert. Es ist das erste Mal, dass der Direktzugriff in einem so großen Maßstab gezeigt wurde. Die Forscher haben auch einen Algorithmus entwickelt, um Daten effizienter zu decodieren und wiederherzustellen, mit mehr Toleranz gegenüber Datenfehlern, wodurch das Sequenzierungsverfahren auch schneller wird. Mehr als 13 Millionen synthetische DNA-Oligonukleotide wurden in dieser Studie kodiert, bei der es sich um Daten mit einer Größe von 200 MB handelte, die aus 35 Dateien (mit Video, Audio, Bildern und Text) mit einer Größe von 29 KB bis 44 MB bestanden. Diese Dateien wurden einzeln ohne Fehler abgerufen. Außerdem haben die Autoren neue Algorithmen entwickelt, die beim Schreiben und Lesen der DNA-Sequenzen robuster und fehlertoleranter sind. Diese Studie veröffentlicht in Nature Biotechnology in einem bedeutenden Fortschritt, der ein praktikables, groß angelegtes System für die DNA-Speicherung und -Wiedergewinnung zeigt.
Das DNA-Speichersystem sieht sehr ansprechend aus, da es eine hohe Datendichte und hohe Stabilität aufweist und einfach zu speichern ist. Es muss jedoch offensichtlich mit vielen Herausforderungen konfrontiert werden, bevor es allgemein eingesetzt werden kann. Einige Faktoren sind die zeit- und arbeitsintensive Entschlüsselung der DNA (Sequenzierung) und auch deren Synthese DNA. Die Technik erfordert mehr Genauigkeit und eine breitere Abdeckung. Auch wenn in diesem Bereich Fortschritte erzielt wurden, ist das genaue Format, in dem Daten langfristig gespeichert werden, wie DNA entwickelt sich immer noch weiter. Microsoft hat versprochen, die Produktion synthetischer DNA zu verbessern und die Herausforderungen anzugehen, um eine voll funktionsfähige Lösung zu entwickeln DNA Speichersystem bis 2020.
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{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}
Quelle (n)
1. Erlich Y und Zielinski D 2017. DNA Fountain ermöglicht eine robuste und effiziente Speicherarchitektur. Wissenschaft. 355(6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L et al. 2018. Random Access in groß angelegten DNA-Datenspeichern. Natur Biotechnologie. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
