Revista si suplimente
MarketWatch
Inapoi Inainte

ADN-ul: viitorul stocării datelor?

14 Aprilie 2022



Una dintre probleme cu care ne confruntăm în prezent este volumul uriaș de date pe care îl generăm și modalitățile actuale de stocare, care devin insuficiente și nesustenabile. În prezent există aproximativ 10 trilioane de gigaocteți de date digitale și, în fiecare zi, oamenii produc alte 2,5 milioane de gigaocteți de date (e-mailuri, fotografii, tweet-uri, etc.). În ultimii 2 ani au fost create mai multe date decât în toată istoria precedentă și asta ar putea însemna că în curând va fi depășită capacitatea hard disk-urilor actuale de a le stoca.

Majoritatea acestor date sunt stocate în câteva milioane de centre de date. Însă, aceste centre de date au următoarele dezavantaje: (1) dimensiuni foarte mari - acoperă o milionime din suprafața pământul şi, în ritmul actual de creștere, ar putea acoperi o miime din aceasta până în 2040; (2) sunt extrem de scumpe – costurile pentru construcția și funcționarea lor la nivel global sunt de ordinul unui trilion de euro; (3) consumă aproximativ 2% din energia electrică din lumea dezvoltată.
Conform unui raport din 2020 publicat de National Academy of Technologies of France, stocarea și arhivarea datelor mari digitale prin abordarea actuală, bazată pe centre de date, nu va mai fi sustenabilă după 2040. Prin urmare, este nevoie urgentă de a accelera eforturile de cercetare și dezvoltare susținută pentru apariția unor abordări alternative, niciuna dintre ele nefiind în prezent suficient de matură.

Stocarea datelor în ADN
Numeroși oameni de știință consideră că o soluție alternativă constă în molecula care conține informațiile noastre genetice: ADN-ul, care a evoluat pentru a stoca cantități masive de informații la o densitate foarte mare. O cană de cafea plină cu ADN ar putea stoca, teoretic, toate datele lumii, spune Mark Bathe, profesor de inginerie biologică la MIT. ADN-ul permite densități de informații de zece milioane de ori mai mari decât cele tradiționale. În plus, ADN-ul este stabil la temperatura obișnuită, fără consum de energie.
Pentru a arhiva și a extrage date în ADN, trebuie urmați cinci pași: 1) codificarea datelor binare fișier folosind alfabetul ADN care are patru litere, 2) scrierea, 3) stocarea, 4) citirea acelui ADN, și în final 5) decodificarea informațiilor pe care le conține.
Pentru a stoca date în ADN, în locul secvențelor de 0 și 1 folosite în cazul datelor digitale, stocarea datelor ADN utilizează secvențe de nucleotide. Moleculele de ADN sunt formate din patru tipuri de baze sau nucleotide, fiecare identificată printr-o literă: adenină (A), timină (T), guanină (G) și citozină (C). Practic, este vorba de un alt limbaj în care este codificată informația. Otehnologie utilizată este sinteza ADN-ului, care este deja folosită pe scară largă în medicină, produse farmaceutice și dezvoltarea biocombustibililor. Tehnica organizează informația în secvențe specifice de A, C, G și T. Prin sintetizarea moleculelor de ADN, cercetătorii au descoperit că pot specifica sau scrie șiruri lungi de litere A, C, G și T și apoi pot citi acele secvențe înapoi. Procesul este similar modului în care un computer stochează informații binare. De acolo, a fost un scurt pas conceptual până la codificarea unui fișier binar de computer într-o moleculă.



Scurt istoric și inițiative globale
● În 2012, cercetătorii de la Harvard University au stocat 0,6 MB de informații sub formă de fragmente de ADN sintetic.
● În 2013, Institutul European de Bioinformatică a convertit patru fișiere computerizate în ADN, secvențe totalizând 0 .7 MB. Informațiile au fost retranscrise fără erori.
● În 2018, Microsoft Corp. și Universitatea din Washington din Statele Unite ale Americii au stocat 1 GB de informații din diferite tipuri de fișiere în ADN . Ei dețin recordul de atunci.
● În 2024, este planificat să se arhiveze 1TB (echivalentul a aproximativ 1.000 de filme) în 24 de ore, cu un cost de 1.000 USD.
● Twist Bioscience este un start-up american listat pe NASDAQ, specializat în sinteza ADN-ului pe microcipuri prin mijloace chimice.
● Catalog este un start-up american al cărui scop este să transforme ADN-ul într-un mediu de stocare pentru informația digitală. Catalog a construit o mașină capabilă să sintetizeze ADN, care codifică 0,5 MB de informații/secundă. Această mașină a convertit întreaga bibliotecă Wikipedia (14 GB de informații) într-o secvență de ADN.
● Institutul Technion (Israel) derulează mai multe proiecte care implică stocarea informațiilor digitale în ADN dens. Acest grup lucrează la un nou alfabet de nucleotide compuse și a reușit să convertească un fișier de 6,4MB în nucleotide ADN, folosind un alfabet de cinci sau șase nucleotide compozite.
● În Germania, proiectul MOSLA (Universitățile din Marburg, Darmstadt,
Giessen) a fost finanțat cu 4,2 milioane de euro, cu obiectivul de a dezvolta noi soluții pentru arhivarea informațiilor, bazate pe sisteme de stocare moleculară și chimică.
● În Franța sunt derulate mai multe proiecte: (1) un proiect academic privind utilizarea copolimerilor non-ADN - Institutul Charles Sadron , CNRS și Universitatea din Strasbourg; (2) Compania DNA Script (Paris) este bine poziționată în domeniul sintezei enzimatice a ADN-ului și a primit investiții private semnificative; (3) Compania Imagene (Bordeaux și Évry) își consolidează poziția în domeniul stocării ADN-ului pe termen foarte lung; (4) Trei laboratoare de cercetare (Sophia-Antipolis) sunt implicate într-un proiect internațional finanțat de European Innovation Council.

Avantajele stocării informațiilor în ADN
❶ Densitatea informației. Densitatea informațională a ADN-ului este de aproximativ 10 milioane de ori mai mare decât cea a sistemelor tradiționale.
❷ Consum redus de resurse. Stocarea ADN-ului la temperatura camerei nu implică niciun consum de resurse, iar operațiunile ADN consumă mult mai puțină energie.
❸ Longevitate. ADN-ul are o longevitate de aproximativ 10 mii de ori mai mare decât a mediilor de stocare tradiționale.
❹ Replicare rapidă. Copierea ADN-ului și a informațiilor pe care le conține este rapidă și ieftină, datorită faptului că ADN-ul este replicat în mod natural în celule înainte ca acestea să se dividă.

Limitări actuale ale sintezei ADN
Stocarea informațiilor ADN necesită o sinteză ADN precisă și la scară largă. Abordările actuale se confruntă cu următoarele limitări și provocări:
❶ Este dificil de sintetizat un fragment de ADN mai lung de 150 de nucleotide. Această limită rezultă din rata de eroare în timpul sintezei ADN-ului, care este de obicei de 0,5% per nucleotidă.
❷ Anumite secvențe de ADN sunt greu de sintetizat (din cauza repetiției aceleiași nucleotide de mai multe ori la rând sau la secvențe bogate în C și G.
❸ Sinteza ADN-ului necesită mult timp: sistemele actuale sintetizează ADN-ul prin adăugarea unei nucleotide după alta cu o rată de 30 de secunde pe nucleotidă. Arhivarea unui fișier în acest ritm ar putea dura câteva luni.
❹ Sinteza ADN-ului este costisitoare (aproximativ 8 cenți per nucleotidă în 2020). În prezent, ar costa 1 trilion de dolari pentru a scrie un petabyte de date (1 milion de gigaocteți). Acest cost trebuie să fie redus cu un factor de 108 (100 milioane) pentru a deveni competitiv.
❺ Sinteza chimică a ADN-ului este poluantă, deoarece procesul folosește acetonitril, o substanță chimică dăunătoare.

ADN-ul arată foarte promițător pentru a rezolva problemele actuale și nevoile emergente pentru stocarea volumelor mari de date pe care omenirea le generează la rate din ce în ce mai amețitoare. Tehnologia, încă în stadiu de validare și maturizare, necesită noi instrumente și modalități mai performante de utilizare a celor testate până acum. Dar pare din ce în ce mai plauzibil ca într-o zi cele mai valoroase arhive din lume să fie stocate într-o colecție de molecule de mărimea unor semințe.n



Parerea ta conteaza:

(0/5, 0 voturi)

Lasa un comentariu



trimite