Παρασκευή, 20 Φεβρουαρίου 2015

Αποθήκευση δεδομένων στην αιωνιότητα μέσω DNA. Data-storage for eternity

Η πληροφορία που έχει αποθηκευτεί/κωδικοποιηθεί σε DNA μπορεί να επιβιώσει για πάνω από ένα εκατ. χρόνια, τη στιγμή που τα δεδομένα σε μικροφίλμ μπορούν να διατηρηθούν για περίπου 500. How can we preserve our knowledge today for the next millennia? ETH researchers have found a way to store information in the form of DNA, preserving it for nearly an eternity. (Illustration: Philipp Stössel/ETH Zurich)

Περγαμηνές, πάπυροι και τοιχογραφίες/ βραχογραφίες που σώζονται μέχρι σήμερα φροντίζουν να φέρνουν στον 21ο αιώνα γνώση από το μακρινό παρελθόν. Στη σημερινή εποχή, μεγάλο τμήμα της γνώσης μας βρίσκεται αποθηκευμένο σε servers και σκληρούς δίσκους, οι οποίοι θα είναι δύσκολο να επιβιώσουν σε διάστημα 50 ετών, όχι χιλιετιών. Οπότε, ερευνητές αναζητούν τρόπους αποθήκευσης μεγάλων όγκων δεδομένων μακροπρόθεσμα, και ένας που φαίνεται πολλά υποσχόμενος είναι η αξιοποίηση του DNA ως αποθηκευτικού μέσου.

Το DNA μπορεί να αποθηκεύσει τεράστιους όγκους πληροφορίας με «συμπαγή» τρόπο, ωστόσο η ανάκτησή τους δεν είναι πάντα αυτή που θα έπρεπε να είναι, καθώς εμφανίζονται λάθη, κενά και άλλα προβλήματα λόγω της χημικής υποβάθμισης και λαθών στην αλληλουχία DNA. Επιστήμονες υπό τον Ρόμπερτ Γκρας, λέκτορα στο ETH Zurich, αποκάλυψαν πώς μπορεί να επιτευχθεί μακροπρόθεσμη, χωρίς λάθη αποθήκευση πληροφοριών, πιθανώς για πάνω από ένα εκατομμύριο χρόνια,  εγκιβωτίζοντας κομμάτια DNA με πληροφορίες σε διοξείδιο του πυριτίου και χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο για τη διόρθωση λαθών στα δεδομένα.

In 2013, researchers from the European Bioinformatics Institute at the Wellcome Trust Genome Campus in Hinxton, Cambridgeshire ‘downloaded’ all 154 of Shakespeare’s sonnets on to strands of synthetic DNA (illustrated).

Πριν δύο χρόνια, ερευνητές απέδειξαν πως είναι δυνατή η αποθήκευση και ανάγνωση δεδομένων υπό τη μορφή DNA. Σε εκείνη την περίπτωση, το χρονικό διάστημα μεταξύ της «εγγραφής» της πληροφορίας – τη σύνθεση της σωστής ακολουθίας κώδικα στο DNA -  και της ανάγνωσης (sequencing) των δεδομένων ήταν πολύ μικρό. Αλλά ακόμα και μια μικρή περίοδος αποτελεί πρόβλημα όσον αφορά στο περιθώριο λάθους, καθώς λαμβάνουν χώρα λάθη στο γράψιμο και την ανάγνωση. Μακροπρόθεσμα, το DNA μπορεί να αλλάξει σημαντικά καθώς αντιδρά χημικά με το περιβάλλον, κάτι που αποτελεί πρόβλημα για την αποθήκευση σε βάθος χρόνου. 

For the recent breakthrough, the researchers took inspiration from fossilised bones (stock image). Despite being thousands of years old, it is possible to obtain genetic material because the DNA is protected inside the bones. The experts designed a similar 'fossil shell' to protect the information-bearing DNA in the same way.

Ωστόσο, γενετικό υλικό που έχει βρεθεί σε απολιθωμένα οστά ηλικίας εκατοντάδων χιλιάδων ετών μπορεί να απομονωθεί και να αναλυθεί, καθώς έχει εγκιβωτιστεί και προστατευτεί. «Όπως σε αυτά τα οστά, θέλαμε να προστατέψουμε το φορτωμένο με πληροφορία DNA μέσα σε ένα συνθετικό ‘κέλυφος απολιθώματος’» αναφέρει ο Γκρας.

Chemists subjected spheres of DNA to extreme temperatures  and found the material - and the data stored on it - could be successfully decoded. Just one gram of DNA can store the equivalent of 14,000 Blu-ray discs.

Για να το επιτύχει αυτό, η ομάδα του «έκλεισε» το DNA σε σφαίρες διοξειδίου του πυριτίου (silica) διαμέτρου περίπου 150 νανομέτρων. Τα δεδομένα που αποθηκεύτηκαν ήταν η ελβετική Ομοσπονδιακή Χάρτα του 1291 και το «Περί της Μεθόδου των Μηχανικών Θεωρημάτων» του Αρχιμήδη. Για να εξομοιωθούν οι συνθήκες υποβάθμισης που αντιστοιχούν στο πέρασμα μεγάλου χρονικού διαστήματος, η αποθήκευση έγινε σε θερμοκρασίες από 60 μέχρι 70 βαθμούς Κελσίου για έναν μήνα, που εξομοίωναν τη χημική υποβάθμιση η οποία αντιστοιχεί στο πέρασμα αιώνων. Το DNA που είχε αποθηκευτεί στο εν λόγω «κέλυφος» αποδείχτηκε ανθεκτικό, καθώς μετά την εύκολη διάλυση του κελύφους ήταν δυνατή η ανάγνωση της πληροφορίας. Η πληροφορία που έχει αποθηκευτεί/κωδικοποιηθεί σε DNA μπορεί να επιβιώσει για πάνω από ένα εκατ. χρόνια, τη στιγμή που τα δεδομένα σε μικροφίλμ μπορούν να διατηρηθούν για περίπου 500.

Scientists used an 'error correction' similar to those found in laptops (stock image). This involved adding data to each fragment to create back ups.

Ωστόσο, δεν αρκεί να μπορεί να αποθηκευτεί η πληροφορία- πρέπει να είναι δυνατή η ανάγνωσή της και χωρίς λάθη. Χάρη σε σημαντικά τεχνολογικά επιτεύγματα στο DNA sequencing, η ανάγνωση αυτή είναι επιτεύξιμη σε λογικό κόστος, και αναμένεται να γίνει ακόμα περισσότερο οικονομική στο μέλλον. Για την αποφυγή/ διόρθωση των λαθών, ο Ράινχαρντ Χέκελ, επίσης του ΕΤΗ, ανέπτυξε μια μέθοδο διόρθωσης βασισμένη στους Κώδικες Ριντ- Σόλομον, αντίστοιχη αυτών που χρησιμοποιούνται στη μετάδοση πληροφορίας σε μεγάλες αποστάσεις. Το «κλειδί» είναι η επισύναψη επιπλέον στοιχείων στα δεδομένα, εξηγεί ο Χέκελ, που λειτουργούν ως «backup» σε περίπτωση που χαθούν κάποια δεδομένα στην πορεία.

Πηγή: www.ethz.ch