DNA Data storage: Αποθηκεύοντας δεδομένα στο μόριο της ζωής

«Ζούμε στα όρια της φτώχειας, ζούμε στα όρια της ειρήνης, ζούμε στα όρια μιας σχέσης, ζούμε τη ζωή στα όρια!», είναι φράσεις που ακούμε συχνά μεταξύ άλλων. Κανείς όμως δεν έχει πει ανοικτά ότι ζούμε στα όρια της αποθήκευσης των…δεδομένων!

Από την Βασιλική Μιχοπούλου

Οι ειδικοί εκτιμούν ότι οι παραδοσιακές τεχνολογίες αποθήκευσης αγγίζουν τα όριά τους σε χωρητικότητα και σε ανθεκτικότητα. Την ίδια ώρα, ο όγκος των δεδομένων που παράγονται και αποθηκεύονται παγκοσμίως αναμένεται, τουλάχιστον έως το κοντινό μας 2025, και σύμφωνα με την εταιρεία International Data Corporation (IDC), να φτάσει τα 79,4 zettabyte. Και για να το θέσουμε σε προοπτική, ένα zettabyte ισούται με ένα τρισεκατομμύριο gigabyte.

Αυτή η μαζική παραγωγή δεδομένων δεν συνοδεύεται μόνο από σημαντικές ευκαιρίες και προκλήσεις αλλά και από την επιτακτική ανάγκη διασφάλισης ότι θα χρησιμοποιούνται με υπευθυνότητα και προς όφελος της κοινωνίας.

Tο θαυματουργό μόριο της ζωής

Και εδώ ακριβώς έρχεται η αποθήκευση σε DNA, σε αυτό το θαυματουργό μόριο της ζωής που μεταφέρει γενετικές πληροφορίες σε κάθε ζωντανό οργανισμό. Η φυσική του ικανότητα να αποθηκεύει τεράστιες ποσότητες δεδομένων σε ένα μικροσκοπικό χώρο έχει τραβήξει το βλέμμα επιστημόνων και μηχανικών που επιδίδονται πλέον στην δημιουργία μιας νέας γενιάς λύσεων αποθήκευσης που να το περιλαμβάνει.

Μπορούμε να αποθηκεύσουμε μια τεράστια ποσότητα πληροφοριών σε έναν σχετικά μικρό χώρο κωδικοποιώντας δεδομένα σε μόρια DNA. Για παράδειγμα, ένα γραμμάριο DNA μπορεί να αποθηκεύσει έως και 455 exabyte δεδομένων.

Η βασική ιδέα πίσω από την αποθήκευση σε DNA είναι η ψηφιακή μετατροπή πληροφοριών στον κώδικα των τεσσάρων γραμμάτων (αζωτούχων βάσεων) του, δηλαδή σε αδενίνη (Α), κυτοσίνη (C), γουανίνη (G) και θυμίνη (Τ). Αυτός ο κώδικας μπορεί στη συνέχεια να συντεθεί σε πραγματικά μόρια DNA, τα οποία μπορούν να αποθηκευτούν σε διάφορες μορφές (όπως π.χ. σε ένα υγρό διάλυμα) ή να ενσωματωθούν σε ένα συνθετικό υλικό. Για να ανακτήσουν τις πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στο DNA οι επιστήμονες μπορούν να προσδιορίσουν την αλληλουχία των A, C, G και T και να την μετατρέψουν σε ψηφιακά δεδομένα.

Μάλιστα, μια ομάδα Αμερικανών ερευνητών διεύρυναν το αλφάβητο με επτά συνθετικά γράμματα για να παραγάγουν τεχνητά μόρια DNA, που να μπορούν να κωδικοποιούν έναν μεγάλο όγκο πληροφοριών. Και δεν σταμάτησαν εκεί. Ανέπτυξαν επίσης μία μέθοδο που να αποκρυπτογραφεί αποτελεσματικά την αλληλουχία του τεχνητού μορίου DNA ξεχωρίζοντας τα φυσικά από τα συνθετικά γράμματα.

Τα πλεονεκτήματα του DNA

H χρήση του DNA προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα, με πρώτο, την απίστευτα υψηλή πυκνότητα αποθήκευσης. Επιπλέον, το DNA είναι ένα σταθερό μόριο που μπορεί να «ζήσει» για χιλιάδες χρόνια, αντέχοντας σε ένα ευρύ φάσμα περιβαλλοντικών συνθηκών, συμπεριλαμβανομένων των ακραίων θερμοκρασιών, της υγρασίας και της ακτινοβολίας, αποτελώντας έτσι μια ιδανική λύση για μακροπρόθεσμη αποθήκευση κρίσιμων πληροφοριών.

Το DNA παρέχει έναν εξαιρετικά ασφαλή και αξιόπιστο χώρο αποθήκευσης οικονομικών και νομικών δεδομένων, ενώ στον κυβερνητικό τομέα μπορεί να αποθηκεύσει ιστορικά δεδομένα, όπως δημογραφικές πληροφορίες ή απόρρητα στοιχεία που σχετίζονται με την εθνική ασφάλεια.

Η αποθήκευση σε DNA έχει επίσης πιθανές εφαρμογές στην δημιουργία αντιγράφων ασφαλείας δεδομένων και στην ανάκτησή τους μετά από καταστροφές. Επιπλέον, είναι εξαιρετικά δύσκολο για κάποιον να το προσπελάσει και να το διαχειριστεί χωρίς εξειδικευμένο λογισμικό και γνώση, ενώ μπορεί να κρυπτογραφηθεί και να προστατευτεί ελεγχόμενα, παρέχοντας πρόσβαση μόνο σε εξουσιοδοτημένους χρήστες.

Τα εμπόδια στη χρήση του

Ωστόσο, η σύνθεση και ο προσδιορισμός της αλληλουχίας του DNA εξακολουθούν να είναι σχετικά αργές και δαπανηρές διαδικασίες, που καθιστούν το μόριο μη πρακτικό για καθημερινή χρήση. Επιπλέον, η αποθήκευση σε DNA απαιτεί εξειδικευμένο εργαστηριακό εξοπλισμό και τεχνογνωσία, κάτι που μπορεί να αποτελεί εμπόδιο για πολλούς οργανισμούς.

Η αποθήκευση σε DNA είναι επιπλέον πολύ πιο ακριβή από τις παραδοσιακές μεθόδους και ενίοτε απαγορευτική. Για παράδειγμα, ερευνητές στο ΜΙΤ υπολογίζουν ένα κόστος περίπου 1 τρισεκατομμυρίου $ για την αποθήκευση ενός petabyte δεδομένων (ισοδύναμο με ένα εκατομμύριο gigabyte).

«Ο όγκος και το κόστος αποθήκευσης δεδομένων είναι σήμερα όσο ποτέ άλλοτε ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που αντιμετωπίζουν όλες οι υπολογιστικές υποδομές και υπηρεσίες. Παρά τη βελτίωση στην τεχνολογία μαγνητικών δίσκων και συσκευών flash- σύντομα θα εμφανιστούν οι πρώτες συσκευές που θα αποθηκεύουν 1 petabyte δεδομένων, μια αύξηση στην χωρητικότητα των συσκευών κατά 1 εκατομμύριο φορές από το 1993 όπου έφτασε για πρώτη φορά το 1 gigabyte- η τεχνολογία που διαθέτουμε εξακολουθεί να υστερεί σημαντικά των αναγκών που έχουν οι σύγχρονες εφαρμογές και υπηρεσίες», εκτιμά ο καθηγητής του Τμήματος Επιστήμης Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Κρήτης και επικεφαλής του εργαστηρίου Αρχιτεκτονικής Υπολογιστών και VLSI (CARV) στο Ινστιτούτο Πληροφορικής (ΙΠ) του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ), Άγγελος Μπίλας, ο οποίος με την ερευνητική του ομάδα ασχολούνται περισσότερα από 20 χρόνια με συστήματα αποθήκευσης δεδομένων.

Εκτός από το DNA, τι;

Εκτός από το DNA, άλλες νέες τεχνολογίας αποθήκευσης δεδομένων, όπως συστήματα αποθήκευσης σε γυαλί (Glass-storage), μαγνητικές φυσαλίδες (Magnetic bubbles), ολογραφική αποθήκευση (Holographic storage), οπτικά συστήματα (Optical storage), και διάφορες τεχνολογίες για byte-addressable, persistent memory, αποτελούν σήμερα αντικείμενο έρευνας.

«Παρότι μερικές από αυτές τις τεχνολογίες έχουν εξεταστεί και στο παρελθόν, συνεχίζουμε να εμβαθύνουμε και να κατανοούμε νέες υφιστάμενες δυνατότητες, ώστε να ικανοποιήσουμε την εκθετική αύξηση στον όγκο των δεδομένων που αποθηκεύουμε και ανακτούμε καθημερινά, την οποία αναμένουμε ότι θα συνεχιστεί για πολλά χρόνια ακόμη» καταλήγει ο καθηγητής Μπίλας.