Επιστήμονες βρήκαν τρόπο να διαχειριστούν την αποθήκευση ψηφιακών δεδομένων σε DNA

Το DNA μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιόπιστη αποθήκευση τεράστιων ποσοτήτων ψηφιακών δεδομένων. Ωστόσο, μέχρι στιγμής έχει αποδειχθεί δύσκολο να ανακτηθούν ή να χειριστούν τα συγκεκριμένα δεδομένα που είναι ενσωματωμένα σε αυτά τα μόρια. Τώρα, επιστήμονες από το CNRS και το Πανεπιστήμιο του Τόκιο έχουν αναπτύξει τη χρήση μιας νέας τεχνικής που βασίζεται σε ένζυμα, παρέχοντας τις αρχικές ενδείξεις για το πώς μπορούν να ξεπεραστούν αυτά τα τεχνικά εμπόδια. Η έρευνά τους δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Nature.

Η φύση ανέπτυξε αναμφισβήτητα την καλύτερη μέθοδο για μαζική αποθήκευση δεδομένων: το DNA. Με βάση αυτή τη γνώση, το DNA έχει χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση ψηφιακών δεδομένων μεταφράζοντας δυαδικές (0 ή 1) τιμές σε ένα από τα τέσσερα διαφορετικά «γράμματα» του DNA (A, T, C ή G).

Πώς όμως μπορεί κανείς να ψάξει στη βάση δεδομένων των δεδομένων που κωδικοποιούνται στο DNA για να ανακαλύψει ένα συγκεκριμένο δεδομένο; Και πώς είναι δυνατόν να εκτελεστούν υπολογισμοί χρησιμοποιώντας δεδομένα κωδικοποιημένα με DNA χωρίς πρώτα να τα μετατρέψουμε σε ηλεκτρονική μορφή; Αυτά είναι τα ερωτήματα στα οποία προσπάθησαν να απαντήσουν ερευνητικές ομάδες από τα εργαστήρια LIMMS (CNRS / Πανεπιστήμιο του Τόκιο) και Gulliver (CNRS / ESPCI). Πειραματίζονται με μια νέα προσέγγιση χρησιμοποιώντας ένζυμα και τεχνητούς νευρώνες και νευρωνικά δίκτυα για την διεκπεραίωση διάφορων λειτουργιών σε δεδομένα DNA.

Συγκεκριμένα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τις αντιδράσεις τριών ενζύμων για να σχεδιάσουν χημικούς «νευρώνες» που αναπαράγουν την αρχιτεκτονική του δικτύου και την ικανότητα για πολύπλοκους υπολογισμούς που παρουσιάζουν οι αληθινοί νευρώνες. Οι χημικοί νευρώνες τους μπορούν να εκτελέσουν υπολογισμούς με δεδομένα σε κλώνους DNA και να εκφράσουν τα αποτελέσματα ως φθορίζοντα σήματα.

Οι ομάδες LIMMS και Gulliver έχουν επίσης καινοτομήσει συναρμολογώντας δύο στρώματα των τεχνητών νευρώνων για να βελτιώσουν τους υπολογισμούς. Η ακρίβεια ενισχύεται περαιτέρω μέσω της μικρογραφίας της μικρορευστοποίησης των αντιδράσεων (microfluidic miniaturization of reactions), επιτρέποντας τη διεξαγωγή δεκάδων χιλιάδων.

Ο καρπός μιας δεκαετίας συνεργασίας μεταξύ Γάλλων βιοχημικών και Ιαπώνων μηχανικών μικρορευστοποίησης, αυτές οι ανακαλύψεις μπορεί τελικά να επιτρέψουν καλύτερο έλεγχο για ορισμένες ασθένειες καθώς και τον χειρισμό γιγάντιων βάσεων δεδομένων που κωδικοποιούνται με DNA.

Όταν διατηρείται μακριά από νερό, αέρα και φως, το DNA μπορεί να διατηρηθεί για εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια, χωρίς τη βοήθεια καμίας πηγής ενέργειας. Ποσότητα DNA που είναι αποθηκευμένη σε μια κάψουλα διαμέτρου λίγων εκατοστών, μπορεί να χωρέσει έως και 500 terabytes ψηφιακών δεδομένων. Μέχρι το 2025, ο συνολικός όγκος των ψηφιακών δεδομένων που παράγονται από τον άνθρωπο αναμένεται να φτάσει τα 175 zettabyte, όγκος που θα χώραγε σε ένα κουτί παπουτσιών. Η διευκόλυνση της αποθήκευσης DNA θα είναι ο στόχος του PEPR MoleculArxiv, ένα ερευνητικό πρόγραμμα προτεραιότητας που παρασχέθηκε τον περασμένο Μάιο από το CNRS.