Bagaimana penyimpanan data DNA bekerja

kepala penyimpanan dna

Penyimpanan data DNA adalah masalah besar. Sebagian, itu karena kita didasarkan pada DNA, dan setiap penelitian tentang manipulasi molekul itu akan memberikan keuntungan bagi pengobatan dan biologi secara umum - tetapi sebagian, itu juga karena perusahaan paling kaya dan berkuasa di dunia semakin kecil hati dengan perkiraan biaya untuk penyimpanan data di masa depan. Facebook, Apple, Google, pemerintah AS, dan banyak lagi semuanya melakukan investasi luar biasa dalam penyimpanan ('exabyte' adalah kata kunci sekarang). Tetapi bahkan mega-proyek ini hanya bisa menunda begitu lama yang tak terelakkan; kami hanya menghasilkan terlalu banyak data untuk disimpan dalam penyimpanan magnetis, tanpa perubahan besar yang tak terduga dalam teknologi.

Itulah sebabnya perusahaan seperti Microsoft baru-baru ini memutuskan untuk berinvestasi dalam prospek penyimpanan informasi dengan jenis teknologi yang sama sekali berbeda: duluteknologi. Ini mungkin tampak tidak sesuai dengan merek raksasa perangkat lunak, tetapi bekerja sama dengan akademisi untuk mengambil biologi molekuler telah menghasilkanhasil yang menakjubkan: Tim dapat menyimpan dan mengingat kembali data digital dengan kepadatan penyimpanan yang luar biasa. Menurut seorang posting blog yang menyertai, mereka berhasil mengemas sekitar 200 megabyte data menjadi hanya sebagian kecil dari setetes cairan, termasuk video musik terkompresi dari band. OK pergi. Yang lebih mengesankan, data disimpan dalam bentuk yang dapat diakses dengan cepat dan mudah, membuatnya lebih mirip dengan RAM komputer, daripada penyimpanan komputer.

Jadi bagaimana mereka mencapai prestasi luar biasa ini?



Pertama, mereka harus mengonversi kode digital dari 1 dan 0 menjadi kode genetik dari A, C, T, dan G, lalu mengambil file teks sederhana ini dan secara manual menyusun molekul yang diwakilinya. Masing-masing adalah prestasi tersendiri. Penyimpanan DNA membutuhkan teknik mutakhir dalam kompresi dan keamanan data untuk merancang urutan yang cukup padat informasi untuk mewujudkan potensi DNA dan cukup mubazir untuk memungkinkan pengecekan kesalahan yang kuat guna meningkatkan keakuratan informasi yang diperoleh kembali.

penyimpanan dna 5Sangat sedikit teknologi yang dipamerkan di sini baru, karena bagian terpenting dari sistem ini telah ada lebih lama daripada umat manusia itu sendiri. Tetapi jika semua data yang diperlukan untuk membuat kode untuk Albert Einstein terkandung di dalam inti setiap sel tubuh Albert Einstein, maka pendekatan klasik terhadap penyimpanan data ini pasti memiliki tujuan. Peneliti di bidang ini mulai memahami dan memanfaatkan sesuatu itu, dan mereka menjadi lebih baik setiap beberapa bulan.

Pada akhirnya, atribut khusus utama DNA adalah kepadatan penyimpanan data: berapa banyak informasi yang dapat dimasukkan DNA ke dalam unit volume tertentu? Pusat data NSA terbesar dan paling terkenal adalah kompleks yang sangat besar dan luas yang penuh dengan rak jaringan drive penyimpanan magnetik - tetapi menurut beberapa perkiraan, DNA dapat mengambil volume data yang terdapat di sekitar seratus pusat data industri dan menyimpannya di ruang kira-kira seukuran kotak sepatu.

DNA mencapai ini dengan dua cara. Pertama, unit pengkodeannya sangat kecil, kurang dari setengah nanometer ke samping, tempat transistor drive penyimpanan komputer modern dan canggih berjuang untuk mengalahkan tanda 10 nanometer. Tetapi peningkatan kapasitas penyimpanan tidak hanya sepuluh atau seratus kali lipat, tetapi ribuan kali lipat. Perbedaan itu muncul dari keuntungan besar kedua dari DNA: tidak ada masalah mengemas secara tiga dimensi.

GENOME SPEED.jpg

Pengurutan menjadi jauh lebih cepat dan lebih murah dari waktu ke waktu - dan itu bagus, karena kita perlu mengurutkan data DNA untuk membacanya!

Lihat, transistor umumnya disejajarkan pada bidang datar, yang berarti kemampuannya untuk sepenuhnya menggunakan ruang yang diberikan cukup rendah. Kita tentu saja dapat menumpuk banyak papan datar seperti itu satu sama lain, tetapi pada saat itu muncul masalah baru dan yang benar-benar melemahkan: panas. Salah satu bagian paling menantang dalam mendesain teknologi berbasis transistor baru, baik itu prosesor atau perangkat penyimpanan, adalah panas. Semakin rapat Anda mengemas transistor silikon, semakin banyak panas yang Anda hasilkan, dan semakin sulit untuk membuang panas tersebut dari perangkat. Ini membatasi kepadatan maksimum, dan mengharuskan kami menambah biaya hard disk itu sendiri dengan sistem pendingin yang mahal.

Dengan struktur pengemasan super efisiennya, heliks ganda DNA menawarkan solusi yang bagus. Kromatin, sistem protein-DNA yang menyusun kromosom, pada dasarnya adalah mekanisme yang sangat kompleks yang dirancang untuk memungkinkan molekul yang melekat secara inheren seperti DNA menggulung dengan sangat rapat, namun tetap membuka gulungan dengan cepat dan mudah di kemudian hari, ketika tambalan DNA tertentu dibutuhkan oleh tubuh.

penyimpanan dna 4

Berikut adalah tampilan yang disederhanakan tentang bagaimana DNA mengemas begitu erat ke dalam ruang tiga dimensi.

Sifat sistem kromatin yang ada, yang memungkinkan gen apa pun 'dipanggil' dari bagian mana pun dari genom dengan efisiensi yang kira-kira sama, telah membuat para peneliti menamai sistem penyimpanan mereka sebagai versi DNA dari memori akses acak komputer, atau RAM. Seperti RAM, lokasi fisik dari sepotong data di dalam drive tidak penting bagi kemampuan komputer untuk mengakses informasi tersebut.

ENCOKNamun, menyimpan informasi dalam DNA berbeda dengan RAM komputer dalam beberapa hal yang cukup signifikan. Yang paling menonjol adalah kecepatan; bagian dari apa yang membuat RAM RAM adalah bahwa sistem aksesnya yang mudah juga a cepat mengakses sistem, memungkinkannya menyimpan data yang mungkin diperlukan komputer dalam sekejap, dan membuatnya tersedia pada rentang waktu tersebut. Di sisi lain, DNA secara signifikan lebih sulit dan lebih lambat untuk dibaca daripada transistor komputer konvensional, yang berarti dalam hal kecepatan akses itu sebenarnya kurang Seperti RAM dari SSD komputer rata-rata atau hard-drive magnetik yang berputar.

Itu karena kemampuan luar biasa dari solusi penyimpanan data evolusi disesuaikan dengan kebutuhan unik evolusi, dan kebutuhan tersebut tidak harus mencakup melakukan ribuan 'pembacaan' per detik. Penyimpanan data DNA seluler yang teratur harus mengurai struktur kromatin kompleks dari DNA stabil, kemudian melepaskan heliks ganda DNA itu sendiri, membuat salinan urutan yang diinginkan, lalu mengemas semuanya kembali seperti semula - dibutuhkan beberapa saat.

Untuk tujuan kita, kita harus menambahkan langkah ekstra untuk membaca DNA. Dalam hal ini, itu dicapai dengan menggunakan teknik kuno di laboratorium bioteknologi yang disebut polymerase chain reaction (PCR) untuk memperkuat, atau berulang kali menduplikasi, urutan yang ingin kita baca. Seluruh sampel kemudian diurutkan, dan semuanya kecuali urutan berulang yang berkali-kali berulang yang kami perkuat akan dibuang. Yang tersisa adalah urutan minat kami. Rentang DNA ini ditandai dengan sedikit urutan target yang memungkinkan protein PCR mengikat, dan proses replikasi dimulai.

terapi genDalam sel, gen dinyalakan dan dimatikan sebagian besar dengan mengubah ketersediaan urutan target ini ke mesin replikasi DNA yang selalu menunggu. Ini dapat dilakukan melalui penggulungan dan pelepasan kromatin, penambahan langsung atau penghilangan protein penghambat, atau bahkan interaksi dengan area lain dari genom untuk mempromosikan atau menghalangi transkripsi. Dalam sistem penyimpanan data buatan manusia, secara teoritis kita dapat membuat sesuatu yang lebih sesuai dengan kebutuhan kita, lebih kuat atau lebih efisien atau kurang boros pada bentuk keamanan yang tidak kita perlukan untuk tujuan ini, tetapi itu akan membutuhkan tingkat kecanggihan dalam protein. teknik yang sepertinya masih jalan keluar.

Lihat seri 2007es.com Explains kami untuk liputan yang lebih mendalam tentang topik teknologi terpanas saat ini.

Copyright © Seluruh Hak Cipta | 2007es.com