Newsy

Przełom w wykorzystaniu DNA jako nośnika danych. Naukowcy z MIT opracowali nową technikę wyszukiwania w nim informacji [DEPESZA]

2021-06-15  |  06:00
Wszystkie newsy

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology opracowali nową technikę oznaczania i wyszukiwania plików danych DNA. Może to oznaczać przełom w technikach przechowywania danych i wykorzystania DNA  w tym celu. Nośnik informacji genetycznej może też być idealnym nośnikiem innych danych, takich jak zdjęcia, filmy czy pliki. Jest niezwykle stabilny i łatwy do sekwencjonowania. Ponadto, ze względu na dużą gęstość, eksabajt danych przechowywanych jako DNA może się zmieścić w dłoni. – Chociaż może upłynąć trochę czasu, zanim DNA stanie się opłacalne jako nośnik danych, już dziś istnieje pilna potrzeba tanich, masowych rozwiązań do przechowywania wcześniej istniejących próbek DNA i RNA z testów COVID-19, sekwencjonowania genomu człowieka i innych obszarów genomiki – podkreśla Mark Bathe z MIT.

– Potrzebujemy nowych rozwiązań do przechowywania tych ogromnych ilości danych, które gromadzi świat, zwłaszcza danych archiwalnych – wskazuje Mark Bathe, profesor inżynierii biologicznej w Massachusetts Institute of Technology, członek centrum badań Broad Institute of MIT and Harvard. – DNA jest tysiąckrotnie gęstsze niż nawet pamięć flash, a kolejną interesującą właściwością jest to, że po utworzeniu polimeru DNA nie zużywa on żadnej energii. Można zapisać i przechowywać w nim dane na zawsze.

Jak podaje MIT, obecnie na Ziemi jest około 10 bln gigabajtów danych cyfrowych. Codziennie tworzymy średnio 2,5 mln gigabajtów danych. Wiele z tych danych jest przechowywanych w eksabajtowych centrach danych, które mogą mieć rozmiar kilku boisk piłkarskich, a ich budowa i utrzymanie kosztuje około 1 mld dol. Zapotrzebowanie na przechowywanie danych rośnie wykładniczo, więc naukowcy szukają bardziej wydajnych rozwiązań niż te stosowane obecnie. Jednym z nich jest DNA. Cząsteczki DNA w wyniku ewolucji mają zdolność do pakowania informacji genetycznych w ekstremalnie dużych gęstościach. Do przechowywania wszystkich danych z całego świata wystarczyłby kubek do kawy pełen zwiniętego DNA.

Naukowcy wykazali już, że potrafią kodować obrazy i strony tekstu jako DNA. Potrzebny jest jednak równie łatwy sposób wybrania żądanego pliku z mieszanki wielu kawałków DNA. Teraz badacze z Massachusetts Institute of Technology opracowali nowatorską technikę wyszukiwania danych DNA, która przyspiesza proces syntezy i sortowania kodu z dużej bazy danych.

– Zakładając, że technologie zapisywania w DNA dojdą do punktu, w którym zapisanie eksabajta lub zettabajta danych w nim jest opłacalne, będziemy wtedy tworzyć stosy DNA składające się z miliardów plików, obrazów lub filmów i innych rzeczy, ale będzie trzeba w jakiś sposób znaleźć to konkretne zdjęcie czy film, którego poszukujemy – wskazuje Mark Bathe. – To jak szukanie igły w stogu siana.

Naukowcy MIT zamknęli każdy plik danych w 6-mikrometrowej cząsteczce krzemionki, która jest oznaczona krótkimi sekwencjami DNA, odpowiadającymi zawartości pliku. Naukowcy zakodowali 20 różnych obrazów we fragmentach DNA o długości około 3000 nukleotydów, co odpowiada około 100 bajtom. Każdy plik został oznaczony kodami kreskowymi odpowiadającymi etykietom, takim jak „kot” lub „samolot”. Kiedy chcą wyciągnąć konkretny obraz, usuwają próbkę DNA i dodają startery odpowiadające etykietom, których szukają – np. „kot”, „pomarańczowy” i „dziki” dla obrazu tygrysa lub „kot”, „pomarańcza” i „domowy” dla kota domowego.

Startery są oznakowane cząsteczkami fluorescencyjnymi lub magnetycznymi, co ułatwia wyciągnięcie i identyfikację wszelkich dopasowań z próbki. Pozwala też usunąć żądany plik, pozostawiając nienaruszoną resztę DNA do ponownego przechowania.

– Na obecnym etapie naszych badań uzyskujemy szybkość wyszukiwania 1 kilobajta na sekundę. Szybkość wyszukiwania naszego systemu plików jest determinowana przez rozmiar danych, który jest obecnie ograniczony, ponieważ koszt zapisania nawet 100 megabajtów danych w DNA jest obecnie zaporowy – wskazuje dr James Banal z MIT. – Jeśli synteza DNA stanie się wystarczająco tania, dzięki naszemu podejściu będziemy w stanie zmaksymalizować rozmiar danych, które możemy przechowywać w jednym pliku.

Jedną z przeszkód w tego rodzaju przechowywaniu danych jest koszt syntezy tak dużych ilości DNA. Obecnie zapisanie jednego petabajta danych (1 mln gigabajtów) kosztowałoby 1 bln dol. Aby stać się konkurencyjnym, koszt syntezy DNA musiałby spaść kilkukrotnie. Zdaniem ekspertów może do tego dojść w ciągu 10–20 lat, podobnie jak zmniejszył się koszt przechowywania informacji na dyskach.

– Chociaż może upłynąć trochę czasu, zanim DNA stanie się opłacalne jako nośnik danych, już dziś istnieje pilna potrzeba tanich, masowych rozwiązań do przechowywania wcześniej istniejących próbek DNA i RNA z testów COVID-19, sekwencjonowania genomu człowieka i innych obszarów genomiki – podkreśla Mark Bathe z MIT.

Czytaj także

Więcej ważnych informacji

Złote Spinacze 2021

Firma

Spersonalizowana komunikacja jest o 200 proc. skuteczniejsza. Jej przyszłością jest programowalne i interaktywne wideo

Personalizacja przyciąga nasz wzrok i wywołuje emocje. Marketerzy szukają sposobów na personalizację wielu rodzajów treści, w tym materiałów wideo. Badania pokazują, że w marketingu personalizacja konwertuje o 202 proc. lepiej niż media niespersonalizowane i oferuje 20-krotnie większy zwrot z inwestycji. Może też zwiększyć lojalność i satysfakcję klientów. Polska firma Vintom opracowała zaawansowaną i unikatową technologię personalizacji treści wideo, która wykorzystuje technologię łańcucha, syntetyczną synchronizację ust i natywną wtyczkę After Effects.

Biotechnologia

Polska firma opracowała przenośne urządzenie do szybkich testów genetycznych. Mobilne laboratorium analizuje próbki w rekordowo krótkim czasie

Pandemia COVID-19 przyspieszyła wykorzystanie diagnostyki genetycznej. Coraz więcej osób rozumie, że przeprowadzając test genetyczny, można się dowiedzieć, co dokładnie nam dolega. Diagnostyka przy pacjencie stanie się coraz bardziej opłacalna jako podejście do szybkiego testowania. Może to zaowocować nowym paradygmatem testowania. W tym kierunku zmierza polska firma Genomtec, która rozwija autorskie urządzenie do diagnostyki genetycznej w miejscu opieki nad pacjentem oparte na technologii LAMP i produkuje ultraszybkie testy genetyczne. Genomtec ID to przenośne laboratorium, które może zrewolucjonizować diagnostykę molekularną.