DNA כדיסק קשיח: 455 אקסה-בייט לגרם ותוחלת חיים של מיליוני שנים

העולם הדיגיטלי צומח ללא הרף, ולמרות שאנחנו מדברים על "ענן", ענן זה חי על קרקע מוצקה, בתוך מרכזי נתונים ענקיים. מחסנים עצומים עם מסדרונות אינסופיים, שורות של שרתים וחשבונות חשמל קולוסאליים מאחסנים כעת את התמונות, הסרטונים, האימיילים ונתוני המדע שלנו. בתרחיש זה, רעיון צובר תאוצה: שימוש ב-DNA כמדיום למידע, מולקולה זעירה עם... צפיפות של אחסון מַכרִיעַ.

ההבטחה עוצמתית: לקודד ביטים לרצפים של A, C, G ו-T כדי לשמור הכל, החל ממסמך היסטורי ועד קובץ וידאו, ולעשות זאת ביציבות במשך מאות שנים או אפילו עשרות שנים. יותר ממיליון שנים אם הוא נשמר היטב. העובדה שמעוררת את הדמיון ידועה היטב: בתיאוריה, גרם אחד של DNA יכול לאחסן עד 455 אקס בייטים של נתונים (455.000 מיליארד ג'יגה-בייט), נתון שמגמד את הכוננים הקשיחים וזיכרון הסיליקון הנוכחיים.

מהו אחסון DNA ולמה הוא חשוב

DNA הוא מדריך ההוראות לחיים, ושפתו כתובה בארבע "אותיות": אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ותימין (T). למטרות מחשוב, אנו יכולים לתרגם אפסים ואחדות לצירופים של בסיסים אלה כדי ליצור רצף סינתטי שכאשר הוא נקרא, מאחזר את הקובץ המקורי. תרגום זה הוכח כבעל קיימא מאז 2012, כאשר תוכן של מגה-בייט קודד ונקרא בהצלחה, ופתח את הדלת ל... פרדיגמה חדשה של ארכיון דיגיטלי.

הסיבה הבסיסית היא צפיפות: על ידי דחיסת מידע לתוך מולקולות, המרחב הפיזי הנדרש קורס. במספרים, אנו מדברים על אלה 455 אקסה-בייט לגרםכדי להבין את זה בלי מחשבון: מבחנה קטנה יכולה להכיל הכל. ויקיפדיה יחד עם פייסבוק, ואם נרחיב את קנה המידה, הידע של הציוויליזציה שלנו יתפוס רק כמה מטרים מעוקבים, אין שום קשר לאלפי מטרים רבועים של מרכזי נתונים.

חזון זה אינו רק אסתטי. ברמה המעשית, DNA אינו זקוק לחשמל כדי להישאר קריא: בתנאים קרירים, יבשים וחשוכים, הנתונים נשמרים. אנו יודעים זאת מארכיאולוגיה מולקולרית, המאפשרת לנו לקרוא חומר גנטי משרידים בני מאות אלפי שנים. התנהגות זו הופכת את ה-DNA למועמד אידיאלי עבור ארכיון לטווח ארוך מאוד.

קיבולת, השוואות והאתגר של מרכזי הנתונים של ימינו

מרכזי נתונים הם "קתדרלות של ביטים". ישנם יותר מ-2.000 מהם ברחבי העולם, וכל אחד מהם תופס בממוצע כ-50.000 מ"ר (5 מ"ר). אם נשווה את טביעת הרגל הזו לקומפקטיות של ה-DNA, ההשפעה ניכרת. זה לא רק הקרקע והבניין: גם הקירור וצריכת האנרגיה עצומים, וה... טביעת רגל סביבתית קשור אינו מינורי.

במקביל, הנתונים מזנקים. Google מעבדת כ-4.650 מיליארד חיפושים מדי יום; יוטיוב צופה בכמעט 4.700 מיליארד סרטונים מדי יום; פייסבוק מקבלת מעל 350 מיליון תמונות בכל 24 שעות; וטוויטר שולחת כ-600 מיליון ציוצים. התחזית העולמית מצביעה על כך שעד 2025, כ- 463 אקסה-בייט של נתונים בכל יום, כאשר חלק גדול מהאנושות עדיין לא התחבר לאינטרנט. זה לא הישג של מה בכך.

מפולת זו מפעילה לחץ על הטכנולוגיות הנוכחיות בדיוק כשהן מתקרבות לגבולות הפיזיים. הניסיון של Backblaze, המנטרת 25.000 כוננים קשיחים בשירות, מספק רמזים: לאחר ארבע שנים, כמעט 22% מהיחידות מראים בלאי או כשל. חלקם מחזיקים מעמד יותר מעשור, אחרים נשחקים מהר מאוד. המסקנה פשוטה: חומרה קונבנציונלי אינו נצחי ולהחלפה מתמדת יש עלויות כלכליות ותפעוליות.

DNA כזיכרון, לעומת זאת, מעביר חלק מהבעיה לרמה הכימית והשימורית. עם מדיום יציב וללא צורך באנרגיה כדי "לשמור" על המידע בחיים, הארכיון העמוק - זה שאנו סוקרים מדי פעם אך חייב לשרוד - יכול לשנות את הפרדיגמה שלו ו... להקל על הלחץ על תשתיות ענק.

כיצד לקודד, לשמר ולתקן שגיאות

קידוד נתונים ב-DNA מורכב מתרגום ביטים לבסיסים. סכמה פשוטה ממפה את A ו-C ל-"0" ואת G ו-T ל-"1". מיפוי זה כותב קטעים קצרים שכאשר משולבים, משחזרים כל קובץ דיגיטלי. כדי לשפר את החוסן, נעשה שימוש בקודי תיקון שגיאות. ריד-סולומון, אשר מוסיפים יתירות חכמה: אם חלקים מסוימים ניזוקים, המערכת יכולה לשחזר את המידע המקורי.

הקפיצה הגדולה בעמידות נעשתה על ידי צוות ETH ציריך, בראשות רוברט גראס וריינהרד הקל. בהשראת האופן שבו DNA נשמר במאובנים, הם כיסו מולקולות DNA ב... כדורי סיליקה (זכוכית)למה זכוכית? כי זהו חומר אינרטי מבחינה כימית ומגן מפני היסודות שמפרקים את ה-DNA בצורה החזקה ביותר: בעיקר מים וחמצן.

כדי להאיץ את "ציר הזמן", הם חיפשו את ה-DNA העטוף בטמפרטורות של 60, 65 ו-70 מעלות צלזיוס, תוך דימוי עשרות או מאות שנים של הידרדרות תוך שבועות ספורים. יציבות ה-DNA בתוך הזכוכית הייתה יוצאת דופן. אקסטרפולציה, אחסונו בטמפרטורה של -18 מעלות צלזיוס תאפשר לשמר את המידע למשך... יותר ממיליון שנים, דמות שמשנה את המסגרת המנטלית של מה שאנו מבינים כארכיון עמיד.

הניגוד למבחנה החשופה לאוויר פתוח הוא בולט: DNA שורד רק שנתיים-שלוש לפני שהוא הופך לבלתי קריא. על ידי עטיפתו בזכוכית ושמירתו בסביבה קרירה, יבשה וחשוכה, שיעור ההישרדות שלו מוכפל. יתר על כן, טכנולוגיית סול-ג'ל מקלה על יצירת "קליפה" זכוכיתית זו סביב המולקולות, מה שהופך את התהליך לקל יותר. מבחינה טכנית במחיר סביר מהמעבדה.

ניסויים ותוצאות: מ-EBI ו-ETH ציריך ועד למיקרוסופט ו-UW

ההוכחות ממשיכות להיערם. בשנת 2012, תוכן ה-DNA קודד ונקרא בהצלחה, וזמן קצר לאחר מכן, המכון האירופי לביואינפורמטיקה (EBI) באנגליה לקח את הרעיון צעד קדימה: הוא אחסן טקסט, תמונות ושמע - כולל סונטות שייקספיריות, קטעים מנאום "יש לי חלום" של מרטין לותר קינג, תמונה של המכון עצמו, ומאמר הסליל הכפול פורץ הדרך - ולאחר מכן שלף את המידע באמצעות... דיוק של 100%.

המתודולוגיה שלהם שילבה חפיפה של מקטעים, אינדקסי מיקום ויתירות כדי להבטיח שחזור גם אם חלק מהעותקים ניזוקו. הנפח הכולל היה כ-760 KB, וה-DNA המקביל היה קטן יותר מגרגר אבק. ברמת הביטחון הביולוגי, הם הבהירו ש-DNA סינתטי זה משתמש ב"קוד" שונה ולא יכול להשתלב בטעות בגנום של אורגניזם חי; אם הוא נכנס לגוף, הוא... היה מפריך ומחסל ללא מרחב פונקציונלי.

הרווארד גם בדקה את הרעיון עם ספר של יותר מ-53.000 מילים ו-11 תמונות, וסינתזה אלפי קטעים קצרים על גבי שבב זכוכית, אשר לאחר מכן נקראו באמצעות טכניקות ריצוף סטנדרטיות, אותן טכניקות בהן אנו משתמשים לחקר גנומים עתיקים או דגימות ארכיאולוגיות. דבר זה חיזק את הרעיון שניתן להתייעץ עם "הספרייה המולקולרית" באמצעות ציוד זמין באופן נרחב. ביולוגיה מולקולרית.

בחזרה ב-ETH ציריך, גראס וצוותו העמידו שני מסמכים היסטוריים (כ-83 קילו-בייט בסך הכל, כולל ההסכם הפדרלי השוויצרי משנת 1291 וקטעים מהפלימפססט של ארכימדס) ללחץ תרמי. לאחר שבוע בטמפרטורה של 60-70 מעלות צלזיוס, הטקסטים עדיין היו קריאים. חישוביהם העריכו את העמידות בכ-2.000 שנים בטמפרטורה של 10 מעלות צלזיוס, עד לקני מידה של מיליון שנים אם מאוחסנים בטמפרטורה של -18 מעלות צלזיוס. העלות באותה תקופה הייתה גבוהה - כ-1.350 עד 2.000 דולר למסמכים. רק 83 קילו-בייט—, אבל מגמות העלויות בגנומיקה הן חיוביות.

הוכחה לכך היא הירידה הדרמטית במחיר ריצוף הגנום האנושי: מלפני כמה מיליוני שנים למאות בלבד כיום. בהתאם לכך, חוקרים ממיקרוסופט ומאוניברסיטת וושינגטון בנו את המכשיר הראשון שמאפשר אוטומציה של תהליך אחסון וקריאת DNA מקצה לקצה. בעזרתו, הם קידדו את המילה "שלום" ואחזרו אותה, הישג הנדסי שלמרות שלקח בערך... 21 שעות עבור 5 בתים— ממחיש שהאוטומציה כבר בעיצומה.

אבות טיפוס שצופים לעתיד: מקלטת DNA ועד לתעשייה

הצעה שפורסמה לאחרונה בכתב העת Science Advances על ידי צוות מאוניברסיטת דרום המדע והטכנולוגיה, מחייה פורמט מוכר מאוד: "קלטת". המכשיר שלהם משלב ממברנת ניילון ופוליאסטר עם דפוסי ברקוד מודפס בלייזר. האזורים הלבנים מכילים תאים לאחסון DNA סינתטי עם קבצים מקודדים; הפסים השחורים משמשים כמחסומים הידרופוביים למניעת ערבוב.

לכל מחיצה יש "כתובת" ייחודית, המאפשרת פעולות של רבים לרבים, רבים לרבים (DMRM). כלומר, אנו יכולים לאחסן קבצים מרובים, לאחזר אותם, למחוק אותם ולכתוב אותם מחדש לאותו אזור, תוך חיקוי ההתנהגות של... כונן קשיח אבל על תמיכה מולקולרית. באיורים, קסטה של ​​1.000 מטר יכולה להכיל יותר מ-500.000 מחיצות ולהשיג עד 362 פטה-בייט לקילומטר, מספיק כדי לאחסן, לדברי המחברים, פי כמה מתוכן יוטיוב בגודל קטן יותר מרומן בכריכה רכה.

קו זה מתקיים במקביל ליוזמות אחרות. מיקרוסופט עובדת גם על פרויקט סיליקה, החוקר קוורץ כמדיום ארכיוני: לייזרים משנים לצמיתות את מבנה הגביש, ואז אלגוריתמים של למידת מכונה קוראים את הסימנים הללו. זה לא DNA, אבל זה ממחיש את החיפוש אחר מדיה. יציב במיוחד וקומפקטי לצורך אחסון בארכיון.

גם תעשיית הביוטכנולוגיה דוחפת. קטלוג, סטארט-אפ מבוסטון, פיתח מערכת לסידור מחדש של בלוקי DNA מוכנים מראש ולכתיבת נתונים מבלי צורך לסנתז אותם מאפס, בדרך למה שהם מכנים "המכונה" הראשונה שמשתמשת ב-DNA כאילו הייתה... מערכת הפעלה פיזיתבסן דייגו, אירידיה משלבת DNA וננוטכנולוגיה כדי לבנות כוננים המסוגלים לפעול במקביל, הזרע של "כונן קשיח חי".

מהמגזר הציבורי, IARPA - סוכנות המחקר המתקדמת של המודיעין האמריקאי - מקדמת את תוכנית MIST, שמטרתה לכתוב טרה-בייט של DNA ביום ולקרוא אותו במהירות גבוהה פי עשרה. "אנחנו רוצים להחליף את הכוננים הקשיחים הנוכחיים במדיה מולקולרית צפופה, בטוחה ועמידה יותר", הם מסבירים, תוך התחשבות ברעיון שסיליקון מגיע ליעדו. גבולות פיזיים.

השוואות צפיפות מספקות הקשר: בכונן קשיח יש כ-10^9 סיביות לסנטימטר מעוקב, בעוד ש-DNA מגיע ל-10^18. אין פלא שכמה דוחות - כמו זה של מכון פוטומק למחקרי מדיניות - מדברים על כך שכל דבר דיגיטלי על פני כדור הארץ יכול להיכנס לכקילוגרם אחד של DNA. זה אולי נשמע גרנדיוזי, אבל הבסיס הפיזי (והביולוגי) מוצק, ואחסון קר ויבש מציע... חלונות זמניים אשר עולים בהרבה על טכנולוגיות מגנטיות ואופטיות קונבנציונליות

השאלה העומדת מאחורי השגת יציבות וצפיפות היא: מה אנו שומרים? עבור רוברט גראס עצמו, המיקוד צריך להיות על בחירת מידע "חשוב באמת" הראוי לארכיון ניטרלי לעתיד. כשם שהחזון שלנו על ימי הביניים תלוי במה שנשמר, תצלום נאמן של זמננו ידרוש קריטריונים, אוצרות ו... סטנדרטים פתוחים שיקל על הקריאה בעוד מאות שנים.

נותרו אתגרים: כיום, סינתזה וריצוף בקנה מידה גדול נותרים יקרים ואיטיים יחסית. עם זאת, עקומת העלויות בגנומיקה יורדת באופן עקשני, ואוטומציה כבר מדגימה היתכנות טכנית. אלגוריתמי הגהה, פורמטי מיקוד וארכיטקטורות כמו "קלטת מולקולרית" מצביעים על מערכות המאפשרות... כתיבה ומחיקה יותר פרקטי.

כאילו לא היו מספיק ראיות לכך ש-DNA הוא מצע עמיד, פליאוגנטיקה ממשיכה לספק תיעוד: DNA רוצף מדוב קוטב בן כ-110.000 שנה, מסוס בן כ-700.000 שנה, ו-DNA מיטוכונדריאלי אנושי בן 400.000 שנה נמצא בסימה דה לוס הואסוס (ספרד). למרות שהתנאים חשובים - הקור עוזר - מקרים במערות ממוזגות יחסית מרחיבים את המפה של... שימור מלכותי.

הצד הפחות זוהר, אך המכריע, הוא זה של הכימיה היומיומית: מים וחמצן הם האויבים הגדולים ביותר. לכן, עטיפתם בזכוכית ואחסונם בתאים קרים ממזערים תגובות ושבירת שרשרת. בקנה מידה מעבדתי, יצירת כדורי סיליקה באמצעות טכניקות סול-ג'ל פישטה את התהליך, וניסויים במאמץ תרמי מראים שבלאי עוקב אחר דפוסים. צָפוּי, דומים לאלה שנצפו במאובנים.

כדי לשים את זה בפרופורציה, כדאי לזכור את הניגוד בגודל ובעלות: סט הניסוי עם מסמכים בגודל 83 קילו-בייט עלה לפני כמה שנים כ-1.350 אירו/2.000 דולר. זה יקר כשחושבים במונחים של טרה-בייט ופטה-בייט, אבל לא כל כך מזמן ריצוף גנום אנושי עלה מיליונים, אבל היום זה כמאות. אם מגמה זו תימשך, ה-DNA יהפוך למדיום ניסיוני למדיום תחרותי. אחסון המוני וגיבויים "קרים".

האיחוד בין ביולוגיה לטכנולוגיה כבר אינו מדע בדיוני. מ"קלטות" DNA עם ברקוד ועד ספריות מולקולריות שאינן דורשות חשמל, וחלופות כמו גביש קוורץ, המירוץ אחר מדיום עמיד וקומפקטי החל. אם דבר אחד נראה ברור, זה ש-DNA - עם צפיפותו הבלתי אפשרית וייעודו להישרדות - מתגלה כמועמד העיקרי לאחסון, בצורה מפוארת, את הזיכרון הדיגיטלי של המין שלנו עם... חוסן זמני שאף אלבום נוכחי לא יכול להבטיח.