Компьютерные данные можно описать как микроскопические магнитные кляксы, электрические заряды и даже лилипутские узоры точек, которые отражают лазерные пучки. В конечном счете, они могут вписаться в саму канву жизни, будучи запрограммированными в органические молекулы, связанные друг с другом, словно жемчужины на нитке, и формирующие нити ДНК.
В двух недавних экспериментах команда ученых из Университета Вашингтона и Microsoft, а также независимая группа из Университета Иллинойса показали, что молекулы ДНК могут стать основой системы хранения и архивирования, потенциально способной вместить всю мировую цифровую информацию в объеме около 9 литров — это приблизительно равно количеству вина в одном ящике.
Их исследования показывают, что отдельные цифровые файлы можно восстановить из потенциально безграничного океана зашифрованных данных. Новая технология также способна сохранять в безопасности колоссальные объемы информации в течение тысячелетия или дольше, говорят ученые. И здесь я бы обратил внимание на сверкающую ахиллесову пяту в самой основе микроэлектронных систем хранения данных: магнитные диски, пленка и даже оптические базы безопасно хранят информацию, в основном, в течение нескольких десятилетий.
Последние подвижки в этой области указывают, что может появиться новый способ хранить гиганские объемы компьютерных данных веками, а не десятилетиями. Возможности ДНК ошеломляют в сравнении даже с самыми продвинутыми магнитными или электронными системами. Теоретически возможно хранить экзабайт информации, если он будет закодирован в геном, в объеме одной песчинки. Экзабайт приблизительно равен 200 миллионам DVD.
В природе молекулы ДНК несут генетические инструкции, которые управляют развитием и функционированием живых организмов. Стоимость расшифровки, или “чтения”, генетической последовательности снижается быстрее, чем стоимость компьютерной памяти, а технологический прогресс постепенно ускоряет синтез нитей, созданных из произвольно расположенных органических молекул, известных также как олигонуклеотиды, основные строительные блоки ДНК.
Ученые говорят, что с падением стоимости расшифровки и создания генетических кодов вскоре станет возможным создать новый класс гибридных систем хранения. “В прошлом году нас неожиданно осенило, откуда ждать следующих прорывов”, — поясняет Дуглас Кармеан, исследователь из Microsoft, ранее работавший ведущим дизайнером микропроцессорных чипов в Intel.
Эволюция обоих направлений восходит к появлению интерактивного компьютеринга. Первый по-настоящему персональный компьютер, известный также как LINC, Уэсли А. Кларк спроектировал для биомедицинских исследований еще в 1961 году. “Информационные технологии помогли биотехнологиям в прошлом” — говорит Луис Сез, программист из Университета Вашингтона и один из создателей новой ДНК-системы хранения. — Теперь биотехнологии пришло время отплатить”.
Отдаленные намеки на возможную конвергенцию компьютерных и биотехнологий можно найти в тесной лаборатории в подвале Центра компьютерных наук и инжиниринга Пола Аллена в кампусе Университета Вашингтона. Она забита оборудованием, скорее характерным для биологической: система расшифровывания кода ДНК и машина, которая используется для увеличения фрагментов этого кода путем создания миллиардов идентичных копий. Вместе оба аппарата составляют прототип системы архивирования данных, которая может получить широкое распространение уже через пять лет. Исследователи отмечают, что она может пригодиться студиям Голливуда и современным больницам, для которых длительное хранение файлов — цифровых кинофильмов, рентгеновских или магнитно-резонансных снимков — особенно актуально.
Более ранние эксперименты, проводимые учеными из Европейского Института Биоинформатики в Хинкстоне, Англия, в 2013 году, а также в 2012 в Гарварде, показали, что файлы можно хранить в виде ДНК и затем восстанавливать в цифровой форме. Группа ученых из Гарварда стала объектом международного внимания, когда преобразовала таким образом миллиарды копий “Регенезис”, книги гарвардского же генетика Джорджа Черча и Эда Реджиса.
Команды исследователей из Университета Иллинойса, Университета Вашингтона и Microsoft доработали этот труд, кодируя информацию в ДНК и затем доставая конкретный файл из хранилища. Ученые Иллинойса смогли закодировать статьи из Википедии о шести университетах, затем выбрать и отредактировать части текста, записанные в ДНК и соотносящиеся с тремя учреждениями.
Другие две группы решили, что из-за обширного потенциала нового типа хранения данных лучше просто использовать его для хранения, а не для изменения информации. Им удалось сохранить четыре небольших изображения и затем по отдельности вытащить их, допустив всего одну ошибку.
Компьютерные системы хранения похожи на города с конкретным адресом, откуда можно получить данные. Что касается хранения в ДНК, ученые использовали уникальную природу молекул, которые записывают и затем умножают информацию. Основная функция генома, воссоздание живых организмов, необходима для существование.
Оцифрованное изображение, к примеру, может быть разбито на тысячи кусочков, которые затем накладываются на тысячи отдельных нитей ДНК. При кодировании информации исследователи добавляют уникальный идентификатор, который позволяет впоследствии восстановить полную картинку или файл, как будто собирая пазл. И ученые используют эту способность нитей быстро восстанавливаться при помощи техники, известной как “полимеразная цепная реакция”, чтобы упростить поиск информации. Изобретенная химиком Кэри Муллис в 1983, п.ц.р. позволяет расширить одну молекулу генома до миллионов копий одного звена.
Вдобавок к улучшению компьютеризированных технологий сборки, ученые продолжают работать над развитием самой технологии хранения. “Мы почти в тысячу раз превзошли наши успехи 2012 года”, рассказывает доктор Черч. Его лаборатория работает вместе с Technicolor, французской компанией, владеющей крупным бизнесом в области цифровых данных и архивировании кино. “Серьезная цель — снизить стоимость еще в тысячу раз, это наша новая задача”, он добавляет.
Лаборатория Гарварда пытается закодировать и восстановить “Путешествие на Луну”, французский немой фильм 1902 года. Ученые Университета Вашингтона и Microsoft объединились с Twist Bioscience, стартап из Сан-Франциско, разработавший систему на основе полупроводников, которая ускоряет производство нитей ДНК, в которые можно закодировать цифровые данные.
Исследователи понимают, что сдерживающее их “бутылочное горлышко” — это невозможность быстро записать информацию в геном, но ожидают, что технология вскоре заметно улучшится. “Дело исключительно в технологии и минимизации масштабов реакции”, необходимой для создание синтетической ДНК, подчеркивает Эмили Лепруст, глава Twist. Сейчас запись и извлечение данных с помощью магнитных катушек с пленкой, широко применяемых в корпоративных компьютерных центрах для хранения архивных копий, занимает буквально секунды. Но катушки сами по себе зачастую лежат на полках или даже в хорошо продуманных механизированных хранилищах: достать их и загрузить данные в сеть для быстрого доступа может занять часы.
Стоимость и скорость кодирования цифровой информации в ДНК скоро сократится на несколько порядков, предсказывает доктор Лепруст, что сделает его конкурентоспособной альтернативой магнитным хранилищам. И хотя пока скорость восстановления по сравнению с электронной или магнитной памятью черепашья, ДНК уже заметно лучше в отношении сроков и масштабов данных, которые она может хранить. “ДНК — это замечательное средство для долгосрочного хранения, — говорит Кэрин Страусс, компьютерный архитектор Microsoft. — Все что вам необходимо, — это держать ее в сухости и прохладе”.