Dolar 9,3218
Euro 10,8357
Altın 529,53
BİST 1.418
Adana Adıyaman Afyon Ağrı Aksaray Amasya Ankara Antalya Ardahan Artvin Aydın Balıkesir Bartın Batman Bayburt Bilecik Bingöl Bitlis Bolu Burdur Bursa Çanakkale Çankırı Çorum Denizli Diyarbakır Düzce Edirne Elazığ Erzincan Erzurum Eskişehir Gaziantep Giresun Gümüşhane Hakkari Hatay Iğdır Isparta İstanbul İzmir K.Maraş Karabük Karaman Kars Kastamonu Kayseri Kırıkkale Kırklareli Kırşehir Kilis Kocaeli Konya Kütahya Malatya Manisa Mardin Mersin Muğla Muş Nevşehir Niğde Ordu Osmaniye Rize Sakarya Samsun Siirt Sinop Sivas Şanlıurfa Şırnak Tekirdağ Tokat Trabzon Tunceli Uşak Van Yalova Yozgat Zonguldak
İstanbul 16 °C
Sağanak Yağışlı

Yüksek Kapasiteli DNA Veri Depolama: Tüm Dijital Fotoğraflarınız DNA Olarak Depolanabilir mi?

23.06.2021
96
Yüksek Kapasiteli DNA Veri Depolama: Tüm Dijital Fotoğraflarınız DNA Olarak Depolanabilir mi?

MIT biyolojik mühendisleri, DNA olarak depolanan veri dosyalarını kolayca almanın bir yolunu gösterdi. Bu, muazzam miktarda fotoğraf, görüntü ve diğer dijital içeriği depolamak için DNA arşivlerini kullanmaya yönelik bir adım olabilir. Kredi: Resim: MIT Haberleri. Araştırmacıların izniyle küçük simgeler

Büyük bir havuzdan DNA veri dosyalarının etiketlenmesi ve alınması için bir teknik, DNA veri depolamasını mümkün kılmaya yardımcı olabilir.

Şu anda Dünya’da yaklaşık 10 trilyon gigabayt dijital veri var ve insanlar her gün e-postalar, fotoğraflar, tweet’ler ve 2,5 milyon gigabayt veri ekleyen diğer dijital dosyalar üretiyor. Bu verilerin çoğu, birkaç futbol sahası büyüklüğünde olabilen ve inşası ve bakımı yaklaşık 1 milyar dolara mal olan, eksabayt veri merkezleri (bir eksabayt 1 milyar gigabayttır) olarak bilinen muazzam tesislerde depolanır.

Pek çok bilim insanı, genetik bilgimizi içeren molekülde alternatif bir çözümün yattığına inanıyor: çok büyük miktarlarda bilgiyi çok yüksek yoğunlukta depolamak için evrimleşmiş DNA. MIT biyoloji mühendisliği profesörü Mark Bathe, DNA ile dolu bir kahve fincanının teorik olarak dünyadaki tüm verileri depolayabileceğini söylüyor.

Broad Institute of MIT ve Harvard’ın ortak üyesi olan Bathe, “Dünyanın biriktirdiği bu devasa miktardaki verileri, özellikle de arşiv verilerini depolamak için yeni çözümlere ihtiyacımız var” diyor. “DNA, flash bellekten bile bin kat daha yoğun ve ilginç olan başka bir özellik de, DNA polimerini bir kez yaptığınızda, herhangi bir enerji tüketmemesidir. DNA’yı yazabilir ve sonra sonsuza kadar saklayabilirsiniz.”

DNA Dosyaları Fotoğrafı

DNA “dosyalarının” bir fotoğrafı. Her silika küre, belirli bir görüntüyü kodlayan DNA dizileri içerir ve kürenin dışı, görüntü içeriğini tanımlayan nükleotid barkodlarıyla kaplanır. Kredi: Araştırmacıların izniyle

Bilim adamları, görüntüleri ve metin sayfalarını DNA olarak kodlayabileceklerini zaten gösterdiler. Bununla birlikte, birçok DNA parçasının bir karışımından istenen dosyayı seçmenin kolay bir yoluna da ihtiyaç duyulacaktır. Bathe ve meslektaşları, her bir veri dosyasını, içeriği ortaya çıkaran kısa DNA dizileriyle etiketlenmiş 6 mikrometrelik bir silika parçacığına kapsülleyerek bunu yapmanın bir yolunu gösterdiler.

Bu yaklaşımı kullanarak, araştırmacılar, 20 görüntüden oluşan bir diziden DNA dizileri olarak saklanan bireysel görüntüleri doğru bir şekilde çıkarabileceklerini gösterdiler. Kullanılabilecek olası etiket sayısı göz önüne alındığında, bu yaklaşım 10’a kadar ölçeklenebilir.20 Dosyalar.

Bathe, bugün yayınlanan çalışmanın kıdemli yazarıdır. Doğa Malzemeleri. Makalenin baş yazarları, MIT kıdemli doktora sonrası James Banal, eski MIT araştırma görevlisi Tyson Shepherd ve MIT yüksek lisans öğrencisi Joseph Berleant’tır.

Kararlı depolama

Dijital depolama sistemleri, metin, fotoğraf veya diğer her türlü bilgiyi bir dizi 0’lar ve 1’ler olarak kodlar. Bu aynı bilgi, genetik kodu oluşturan dört nükleotid kullanılarak DNA’da kodlanabilir: A, T, G ve C. Örneğin, A ve T 1’i temsil ederken, G ve C 0’ı temsil etmek için kullanılabilir.

DNA’nın onu bir depolama ortamı olarak arzu edilir kılan başka özellikleri de vardır: Son derece kararlıdır ve sentezlenmesi ve dizilenmesi oldukça kolay (ama pahalıdır). Ayrıca, yüksek yoğunluğu nedeniyle – iki bite eşdeğer olan her nükleotit, yaklaşık 1 nanometre küptür – DNA olarak depolanan bir exabayt veri avucunuzun içine sığabilir.

DNA'da Saklanan Görüntüler

Araştırmacılar, resimde görülen bu gibi görüntüleri DNA’da sakladılar. Kredi: Araştırmacıların izniyle

Bu tür veri depolamanın önündeki engellerden biri, bu kadar büyük miktarda DNA sentezlemenin maliyetidir. Şu anda bir petabayt veri (1 milyon gigabayt) yazmak 1 trilyon dolara mal olacak. Bathe, genellikle arşiv verilerini depolamak için kullanılan manyetik bantla rekabet edebilmek için, DNA sentezinin maliyetinin yaklaşık altı büyüklük sırası düşmesi gerektiğini tahmin ediyor. Bathe, flash sürücülerde bilgi depolama maliyetinin son birkaç on yılda önemli ölçüde düşmesine benzer şekilde, bunun on veya yirmi yıl içinde gerçekleşeceğini tahmin ettiğini söylüyor.

Maliyetin yanı sıra, DNA’yı veri depolamak için kullanmanın diğer büyük darboğazı, istediğiniz dosyayı diğerlerinden seçmenin zorluğudur.

“DNA yazma teknolojilerinin, DNA’ya bir exabyte veya zettabyte veri yazmanın maliyet etkin olduğu bir noktaya geldiğini varsayarsak, o zaman ne olur? Milyonlarca dosya, resim, film ve diğer şeylerden oluşan bir DNA yığınınız olacak ve aradığınız tek resmi veya filmi bulmanız gerekiyor” diyor Bathe. “Samanlıkta iğne aramaya benzer.”

Şu anda, DNA dosyaları geleneksel olarak PCR (polimeraz zincir reaksiyonu) kullanılarak alınır. Her DNA veri dosyası, belirli bir PCR primerine bağlanan bir dizi içerir. Belirli bir dosyayı çıkarmak için, istenen diziyi bulmak ve büyütmek için numuneye bu primer eklenir. Bununla birlikte, bu yaklaşımın bir dezavantajı, primer ve hedef dışı DNA dizileri arasında, istenmeyen dosyaların çıkarılmasına yol açan karışma olabilmesidir. Ayrıca, PCR alma işlemi enzimler gerektirir ve havuzdaki DNA’nın çoğunu tüketir.

Bathe, “İğneyi bulmak için samanlığı yakıyorsunuz, çünkü diğer tüm DNA amplifiye olmuyor ve temelde onu atıyorsunuz” diyor.

Dosya alma

Alternatif bir yaklaşım olarak, MIT ekibi, her bir DNA dosyasını küçük bir silika parçacığı içine yerleştirmeyi içeren yeni bir geri alma tekniği geliştirdi. Her kapsül, dosyanın içeriğine karşılık gelen tek iplikli DNA “barkodları” ile etiketlenmiştir. Bu yaklaşımı uygun maliyetli bir şekilde göstermek için araştırmacılar, yaklaşık 100 bayta eşdeğer olan yaklaşık 3.000 nükleotid uzunluğundaki DNA parçalarına 20 farklı görüntü kodladılar. (Ayrıca, kapsüllerin bir gigabayta kadar DNA dosyalarına sığabileceğini de gösterdiler.)

Her dosya, “kedi” veya “uçak” gibi etiketlere karşılık gelen barkodlarla etiketlendi. Araştırmacılar belirli bir görüntüyü çıkarmak istediklerinde, DNA örneğini çıkarırlar ve aradıkları etiketlere karşılık gelen primerler eklerler – örneğin, bir görüntü için “kedi”, “turuncu” ve “vahşi”. bir kaplan veya bir ev kedisi için “kedi”, “portakal” ve “yerli”.

Primerler, floresan veya manyetik parçacıklarla etiketlenmiştir, bu da numuneden herhangi bir eşleşmeyi çıkarmayı ve tanımlamayı kolaylaştırır. Bu, DNA’nın geri kalanı bozulmadan depoya geri konulmak üzere bırakılırken istenen dosyanın çıkarılmasına izin verir. Geri alma süreçleri, “başkan VE 18” gibi Boolean mantık ifadelerine izin verir.inci Yüzyıl”, bir Google görsel aramasıyla elde edilene benzer şekilde, sonuç olarak George Washington’u oluşturmak için.

“Kavram kanıtımızın şu anki durumunda, saniyede 1 kilobayt arama hızındayız. Dosya sistemimizin arama hızı, şu anda DNA’ya 100 megabayt değerinde veri yazmanın bile yüksek maliyeti ve paralel olarak kullanabileceğimiz sıralayıcı sayısı ile sınırlı olan kapsül başına veri boyutu tarafından belirlenir. DNA sentezi yeterince ucuz hale gelirse, yaklaşımımızla dosya başına saklayabileceğimiz veri boyutunu en üst düzeye çıkarabiliriz” diyor Banal.

Araştırmacılar, barkodları için Harvard Tıp Okulu’nda genetik ve tıp profesörü Stephen Elledge tarafından geliştirilen, her biri yaklaşık 25 nükleotid uzunluğunda 100.000 diziden oluşan bir kitaplıktan tek iplikli DNA dizileri kullandılar. Her dosyaya bu etiketlerden ikisini koyarsanız, 10’u benzersiz bir şekilde etiketleyebilirsiniz.10 (10 milyar) farklı dosya ve her birinde dört etiketle 10’u benzersiz şekilde etiketleyebilirsiniz.20 Dosyalar.

Harvard Tıp Okulu’nda genetik profesörü olan George Church, tekniği “bilgi yönetimi ve arama teknolojisi için dev bir adım” olarak tanımlıyor.

“DNA formunda yazma, kopyalama, okuma ve düşük enerjili arşiv veri depolamasındaki hızlı ilerleme, büyük (10) veri dosyalarının kesin olarak alınması için yeterince keşfedilmemiş fırsatlar bıraktı.21 bayt, zetta ölçekli) veritabanları” diyor, çalışmaya dahil olmayan Church. “Yeni çalışma, tamamen bağımsız bir dış DNA katmanı kullanarak ve DNA’nın farklı özelliklerinden (sıralama yerine hibridizasyon) ve dahası mevcut aletleri ve kimyaları kullanarak bunu olağanüstü bir şekilde ele alıyor.”

Bathe, bu tür DNA kapsüllemesinin “soğuk” verileri, yani bir arşivde tutulan ve çok sık erişilmeyen verileri depolamak için yararlı olabileceğini düşünüyor. Laboratuvarı, hem uzun vadede DNA veri depolaması hem de yakın vadede klinik ve önceden var olan diğer DNA örnekleri için DNA’nın uzun vadeli depolanması için teknoloji geliştiren bir başlangıç ​​olan Cache DNA’yı üretiyor.

“DNA’nın bir veri depolama ortamı olarak uygun hale gelmesi biraz zaman alsa da, bugün Covid-19 testi, insan genomik dizilemesi ve diğer DNA ve RNA örnekleri için düşük maliyetli, büyük depolama çözümlerine acil bir ihtiyaç var. Bathe, genomik alanları, ”diyor.

Referans: James L. Banal, Tyson R. Shepherd, Joseph Berleant, Hellen Huang, Miguel Reyes, Cheri M. Ackerman, Paul C. Blainey ve Mark Bathe tarafından yazılan “Bir arşiv dosyası depolama sisteminde Boolean aramasını kullanarak rastgele erişimli DNA belleği”, 10 Haziran 2021, Doğa Malzemeleri.
DOI: 10.1038/s41563-021-01021-3

Araştırma, Deniz Araştırmaları Ofisi, Ulusal Bilim Vakfı ve ABD Ordusu Araştırma Ofisi tarafından finanse edildi.

.

ZİYARETÇİ YORUMLARI - 0 YORUM

Henüz yorum yapılmamış.