Nová technologie ukládání dat do molekul DNA otevírá cestu k biologickým superpočítačům budoucnosti

Tým vědců z několika amerických univerzit vyvinul průlomový systém ukládání a zpracování dat založený na DNA. Tento systém, který nazývají „základní systém pro ukládání a zpracování dat pomocí DNA“, dokáže nejen uchovávat obrovské množství informací na nepatrném prostoru, ale také s těmito daty pracovat.

Jakýkoli moderní informační systém by měl mít sadu základních vlastností a funkcí. Mezi tyto funkce patří stabilní nosič dat, schopnost opakovaně zapisovat, číst, mazat a znovu nahrávat konkrétní data, a také celková schopnost provádět tyto funkce plynule a programovatelně. A toto všechno DNA systém dokáže.

Dendrické koloidy: Neviditelní obři s obrovskou kapacitou

Klíčem k úspěchu jsou takzvané dendrické koloidy. Jde o mikroskopické částice vyrobené z přirozeně se vyskytujícího acetátu celulózy, které mají průměr pouhých 50 mikrometrů (pro představu – je to zhruba polovina tloušťky lidského vlasu). Zároveň disponují velmi složitou strukturou připomínající rozvětvený strom, díky čemuž mají obrovský povrch – více než 200 cm² na miligram.

Na tento povrch vědci dokázali navázat molekuly DNA nesoucí zakódované informace. A výsledek? Neuvěřitelná hustota dat – 10 000 terabajtů na jeden kubický centimetr. Pro srovnání – to je zhruba ekvivalent 10 milionů gigabajtů, což je kapacita asi 10 000 běžných pevných disků v osobních počítačích.

„Naše 'dendrokoloidy' stabilně drží DNA soubory lépe než holá DNA,“ uvádějí vědci. Testy ukázaly, že takto uložená informace by mohla přežít asi 6000 let při teplotě 4 °C, nebo dokonce 2 miliony let při -18 °C.

Čtení a mazání dat: Jak vytáhnout jehlu z kupky sena

Ale jak se taková data čtou? Vědci vyvinuli systém, který umožňuje „přepisovat“ DNA do RNA pomocí procesu transkripce. Tato RNA pak může být přímo čtena pomocí speciální technologie nanopórového sekvencováni.

Co je však ještě zajímavější, systém umožňuje selektivní mazání a přepisování dat. Vědci předvedli, že mohou vymazat konkrétní „soubory“ (sekvence DNA) a nahradit je novými, aniž by poškodili ostatní údaje.

„Data lze také vymazat a nahradit, a nedestruktivní přístup k souborům je dosažen transkripcí z různých syntetických promotorů,“ vysvětlují autoři studie.

DNA počítač: Když molekuly řeší hlavolamy

Ale to není vše. Vědci ukázali, že jejich systém může nejen ukládat informace, ale také s nimi provádět výpočty. Demonstrovali to řešením zjednodušených verzí šachových problémů a sudoku.

Jak to funguje? Výzkumníci zakódovali všechny možné konfigurace těchto hlavolamů do DNA sekvencí. Poté použili speciální enzymy k „vymazání“ těch sekvencí, které představovaly nesprávná řešení. To, co zůstalo, byly sekvence představující správná řešení problémů.

Je to jako byste měli obrovskou knihovnu knih, kde každá kniha představuje jedno možné řešení hlavolamu. Místo toho, abyste procházeli každou knihu a hledali správné řešení, prostě spálíte všechny knihy s nesprávnými řešeními. To, co zůstane, jsou knihy se správnými odpověďmi.

Budoucnost dat: Molekulární revoluce na obzoru

Tento systém představuje významný krok vpřed v oblasti molekulárního ukládání a zpracování informací. Má potenciál řešit rostoucí problém s ukládáním dat ve světě, kde se každou sekundu generují terabajty nových informací.

Navíc, jak poznamenávají autoři, „naše studie stanovuje proveditelnou cestu pro využití vysoké hustoty informací a paralelních výpočetních výhod nukleových kyselin.“ To znamená, že tento systém by mohl v budoucnu vést k vývoji vysoce výkonných biologických počítačů.

Samozřejmě, před praktickým využitím této technologie je ještě dlouhá cesta. Bude třeba vyřešit mnoho technických výzev, včetně zvýšení rychlosti čtení a zápisu dat a zajištění dlouhodobé stability uložených informací. Přesto tato studie ukazuje fascinující možnosti, které se skrývají v molekulárním světě.