画期的な研究により、 DNAデジタルデータ用のベースのストレージシステム。
デジタル データ ガジェットへの依存により、今日では指数関数的に増加しており、堅牢な長期ストレージが必要です。現在のデジタル技術では解決策を提供できないため、データストレージは徐々に困難になってきています。一例として、過去 2 年間で、世界の歴史全体よりも多くのデジタル データが作成されたことが挙げられます。 コンピューター実際、世界中では 2.5 京バイト {1 京バイト = 2,500,000 テラバイト (TB) = 2,500,000,000 ギガバイト (GB)} のデータが毎日作成されています。これには、ソーシャル ネットワーキング サイト、オンライン バンキング取引、企業や組織の記録、衛星からのデータ、監視、研究、開発などのデータが含まれます。このデータは膨大で、構造化されていません。したがって、現在、特に堅牢な長期ストレージを必要とする組織や企業にとって、データとその急激な増加に対する膨大なストレージ要件に取り組むことが大きな課題となっています。
現在利用可能なオプションは、ハードディスク、光ディスク（CD）、メモリスティック、フラッシュドライブ、および約10テラバイト（TB）のデータを格納するより高度なテープドライブまたは光ディスクです。 このようなストレージデバイスは、一般的に使用されていますが、多くの欠点があります。 第一に、それらは低から中程度の貯蔵寿命を持ち、何十年も持続できるように理想的な温度と湿度の条件下で保管する必要があるため、特別に設計された物理的な保管スペースが必要です。 これらのほとんどすべてが多くの電力を消費し、かさばり、実用的ではなく、単純な落下で損傷する可能性があります。 それらのいくつかは非常に高価であり、データエラーに悩まされることが多く、したがって十分に堅牢ではありません。 組織によって広く受け入れられているオプションは、クラウドコンピューティングと呼ばれます。これは、企業が基本的に「クラウド」と呼ばれるすべてのITおよびデータストレージ要件を処理するための「外部」サーバーを採用する取り決めです。 クラウドコンピューティングの主な欠点のXNUMXつは、セキュリティとプライバシーの問題、およびハッカーによる攻撃に対する脆弱性です。 関係する高コスト、親組織による制限された制御、プラットフォームへの依存など、他の問題もあります。 クラウドコンピューティングは、依然として長期ストレージの優れた代替手段と見なされています。 ただし、世界中で生成されているデジタル情報は確かにそれを保存する能力を追い越しているようであり、将来のストレージニーズも考慮に入れるスケーラビリティを提供しながら、このデータの大洪水に対応するためにさらに堅牢なソリューションが必要です。
DNAはコンピューターの保存に役立ちますか？
本サイトの DNA (デオキシリボ核酸) は、デジタル データ ストレージの刺激的な代替媒体として検討されています。 DNA ほぼすべての生物に存在する自己複製物質であり、私たちの遺伝情報を構成するものです。人工または合成 DNA は、市販のオリゴヌクレオチド合成機を使用して製造できる耐久性のある材料です。 DNA の主な利点は、DNA としての寿命が長いことです。 DNA シリコン（シリコンチップ - 建築に使用される材料）よりも1000倍長持ちします。 コンピューター）。 驚くべきことに、わずかXNUMX立方ミリメートルの DNA 1京バイトのデータを保持できる! DNA また、超コンパクトな素材であり、劣化することがなく、涼しく乾燥した場所に何百世紀にもわたって保管できます。 DNA を保存に使用するという考えは、1994 年に遡る長い間存在していました。主な理由は、情報がコンピューターと私たちのコンピューターに保存される方法が似ているためです。 DNA – どちらも情報の設計図を保存しているためです。コンピューターはすべてのデータを 0 と 1 として保存し、DNA はチミン (T)、グアニン (G)、アデニン (A)、シトシン (C) の 0 つの塩基を使用して生物のすべてのデータを保存します。したがって、これらの塩基を 1 (塩基 A と C) と 0 (塩基 T と G) で表すことができれば、DNA はコンピューターと同じように標準の記憶装置と呼ぶことができます。 DNA は丈夫で長持ちします。その最も単純な反映は、私たちの遺伝コード (DNA に保存されているすべての情報の青写真) が、ある世代から次の世代へと反復的に効率的に伝達されるということです。ソフトウェアおよびハードウェアの大手企業はすべて、データの長期アーカイブを解決するという目標を達成するために、大量のデータを保存するために合成 DNA を使用することに熱心です。そのアイデアは、まずコンピューター コード 1 と 1 を DNA コード (A、C、T、G) に変換し、次に変換された DNA コードを使用して DNA の合成鎖を生成し、冷蔵保存することができます。必要に応じていつでも DNA 鎖を冷蔵保存から取り出し、DNA 配列決定機を使用してその情報を解読し、最終的に DNA 配列を 0 と XNUMX のバイナリ コンピュータ形式に変換してコンピュータで読み取ることができます。
表示されています1 わずか数グラムの DNA が 2000 京バイトのデータを保存し、最長 0 年間そのままの状態で保存できるということです。ただし、この単純な理解にはいくつかの課題があります。まず、DNA へのデータの書き込み、つまり 1 と XNUMX を DNA 塩基 (A、T、C、G) に実際に変換するのは非常に高価で、非常に時間がかかります。第二に、データが DNA に「書き込まれる」と、ファイルを見つけて取得するのが難しくなり、と呼ばれる技術が必要になります。 DNA 配列決定 – 配列内の塩基の正確な順序を決定するプロセス DNA 分子 - その後、データはデコードされて 0 と 1 に戻されます。
最近の研究2 Microsoft Researchとワシントン大学の科学者によると、DNAストレージへの「ランダムアクセス」が実現しました。 「ランダムアクセス」の側面は非常に重要です。これは、シーケンスのどこにいても、直接アクセスできるすべての場所（通常はメモリ）との間で情報を転送できることを意味します。 ランダムアクセスのこの手法を使用すると、以前と比較して選択的な方法でファイルをDNAストレージから取得できます。このような取得では、必要ないくつかのファイルを見つけて抽出するためにDNAデータセット全体をシーケンスおよびデコードする必要があります。 「ランダムアクセス」の重要性は、データ量が増加するとさらに高くなり、実行する必要のあるシーケンスの量が減少するため、膨大になります。 ランダムアクセスがこれほど大規模に行われたのは初めてのことです。 研究者はまた、データをより効率的にデコードおよび復元するためのアルゴリズムを開発し、データエラーに対する耐性を高めて、シーケンス手順をより高速にしました。 この研究では、13KBから200MBのサイズの35個のファイル（ビデオ、オーディオ、画像、テキストを含む）からなる29MBサイズのデータである44万を超える合成DNAオリゴヌクレオチドがコード化されました。 これらのファイルは、エラーなしで個別に取得されました。 また、著者は、DNA配列の書き込みと読み取りにおいて、より堅牢でエラー耐性のある新しいアルゴリズムを考案しました。 この研究はで公開されました ネイチャー·バイオテクノロジー DNAの保存と検索のための実行可能な大規模システムを示す大きな進歩で。
DNA 保存システムは、データ密度が高く、安定性が高く、保存が容易であるため、非常に魅力的に見えますが、広く採用されるまでには明らかに多くの課題があります。時間と労力を要する DNA の解読 (配列決定) や DNA の合成などの要素はほとんどありません。 DNA。この技術には、より高い精度とより広い範囲が必要です。この分野では進歩が見られますが、データが長期的に保存される正確な形式は、 DNA はまだ進化しています。マイクロソフトは、合成 DNA の生産を改善し、完全に運用可能なシステムを設計するための課題に対処すると誓っています。 DNA 2020年までにストレージシステム。
***
{引用元のリストにある以下のDOIリンクをクリックすると、元の研究論文を読むことができます}
ソース
1. ErlichYおよびZielinskiD2017。DNAファウンテンは、堅牢で効率的なストレージアーキテクチャを可能にします。 化学。 355（6328）。 https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L etal。 2018.大規模なDNAデータストレージでのランダムアクセス。 ネイチャーバイオテクノロジー。 36。 https://doi.org/10.1038/nbt.4079
