L; ДНК, серйозний шлях для зберігання наших мільярдів даних - Sciences et Avenir
Кількість даних, що генеруються в усьому світі щороку, приголомшує. Крім того, основним викликом є їхнє максимально ущільнене зберігання. Слід біологічних молекул, зокрема ДНК, яка містить нашу генетичну інформацію, цілком може змінити все.
Молекули ДНК у пробірках.
Зберігання інформації про ДНК: ідея не нова. Але потроху перешкоди падають. Першим кроком у цьому є синтез ДНК ефективно та з меншими витратами. Ставки високі для винахідників, таких як Сільвен Гаріель, співавтор стартового сценарію ДНК і обраний молодим французьким новатором 2017 року за версією MIT Review. Його концепція? Запропонуйте новий підхід до створення ДНК. Пояснення.
Цифрові дані транскрибуються з чотирма азотистими основами
Зберігання цифрової інформації про молекулу ДНК бере свій початок у 1960-х роках, але лише в 2013 році дослідники з Європейського інституту біоінформатики LEBM продемонстрували, що це можливо. Досить логічне використання цієї молекули - зрештою, вона призначена для зберігання інформації (генетика, правда). Тут цифрові дані транскрибуються у новий код із чотирма азотистими основами, що складають молекулу ДНК (A, C, T та G). Потім збережену інформацію можна отримати шляхом секвенування ДНК, тобто її зчитування. Кодування повністю автоматизовано за допомогою програмного забезпечення. Читання, яке було обмежувальним фактором у минулому, має нові, ефективні та недорогі технології з 2000-х років.
"Сьогодні секвенування геному людини, тобто 3 мільярди нуклеотидів (Примітка редактора: основний елемент молекули ДНК, що складається серед іншого з однієї з 4 азотистих основ), коштує близько 1000 доларів", пояснює Сильвен Гаріель. Ми розуміємо, що сьогодні вирішальним є виготовлення згаданої молекули. І тут боляче. Створення ланцюга ДНК вимагає часу і коштує дорого. Оскільки кожен нуклеотид повинен додаватися по одному завдяки хімічним реакціям. На жаль, цей синтез вже не має важеля вдосконалення. "Хімічний синтез ДНК був оптимізований до максимуму за останні десятиліття. Все зроблено у фундаментальних дослідженнях, і це вже не покращиться", підтверджує Жан-Франсуа Луц, директор дослідження лабораторії прецизійної високомолекулярної хімії CNRS.
Приборкувачі ферментів
Ідея Сільвена Гаріеля, Томаса Іберта та Ксав'є Годрона, трьох засновників ДНК-сценарію, полягає у використанні біологічного каталізатора - ферменту - для здійснення реакції синтезу. "Заміна хімічного методу ферментативним методом є напрямком думок з 1980-х років. Люди вже пробували, але з ферментами складно працювати", - пояснює Сильвен Гаріель. Потрібно, певним чином, приручити їх, щоб вони могли контролювати процес додавання, тобто додавання чітко визначеного нуклеотиду (а не іншого).
Для цього ми повинні знайти ідеальний фермент. Творці DNA Script переглянули наукові публікації та відібрали одну, яку вивчав Інститут Пастера для інших застосувань. На даний момент вони подали кілька патентів і все ще перебувають на стадії розробки. Але вони вважають, що їх технологія "руйнує": "Ми перейдемо від 20-денної затримки до синтезу протягом дня", - захоплюється Томас Юбер. Їх цілі: синтезувати фрагменти ДНК із високою доданою вартістю для конкретних клієнтів у 2018 році та запропонувати докомерційну версію до реального маркетингу в 2019 році.
Тим часом вони щотижня отримують електронні листи з усього світу, що підкреслює сильну потребу. "Синтетична ДНК сьогодні є ринком від 1 до 2 мільярдів євро на рік. Для нас наступна промислова революція є біологічною", додає Томас Юбер. Нам ще треба туди дістатися. На даний момент ДНК-сценарій ще не значно збільшив довжину своїх синтетичних продуктів. Проте техніка, над якою у світі працює менше 5, є перспективною.
"З тривимірною молекулою, такою як ДНК, інформація значно ущільнена, ніж із сучасними двовимірними системами"
А після цього? Можливості зберігання ДНК здаються вражаючими. У липні 2016 року Центр досліджень Microsoft перетворив 200 мегабайт даних у ДНК. Компанія придбала 10 мільйонів ниток у Twist у 2016 році та відновила свій запит цього року. У дописі від травня 2017 року дослідники Microsoft навіть стверджують, що компанія готова мати діючу систему зберігання ДНК наприкінці цього десятиліття. "Метою є протокомерційна система за три роки, яка зберігає кількість даних в одному з наших центрів обробки даних, принаймні для одного комерційного додатка", - каже Дуг Кармін з Microsoft Research.
Теоретично, 1 мм 3 було б достатньо для зберігання мільярда гігабайт даних. "Це дозволило б щорічному світовому виробництву ІТ зберігатись у багажнику автомобіля, - пояснює Томаш Іберт. - Хоча кожен центр обробки даних займає еквівалент футбольного стадіону, а їх у всьому світі тисячі. розмірна молекула, така як ДНК, інформація значно ущільнена, ніж у сучасних двовимірних системах ". А в березні 2007 року дослідники розробили нову техніку, щоб досягти рекордної щільності 215 петабайт на грам ДНК з колосальним числом (10 15) прочитань перед деградацією.
"Це публікація математиків, нюанс Жан-Франсуа Лутца. Це теоретичні розрахунки, і експериментально ми ще далекі від того, щоб досягти цього. 3 роки тому зберігання на ДНК перевищувало кілобайт і в даний час серфінг з мегабайтами". Він також працює над зберіганням, але з іншими синтетичними полімерами (поліуретанами, поліамідами.), Які він вважає більш міцними і, зокрема, більш стійкими до високих температур. "Ми розпочали дослідження пізніше, і поки що вони набагато нижче ємності для зберігання. Але ми повинні досягти кілобайт за рік-два", - сподівається він. Отже, сфера, яка все ще є дуже фундаментальною, і яка, тим не менше, може зробити революцію у зберіганні інформації у відносно недалекому майбутньому.