Πώς μπορούμε να αποθηκεύσουμε ψηφιακά δεδομένα στο DNA

Από τις δισκέτες υπολογιστών στις μνήμες USB, κάθε μέθοδος αποθήκευσης δεδομένων σταδιακά γίνεται ξεπερασμένη. Τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να βρούμε έναν τρόπο να αποθηκεύσουμε όλα τα δεδομένα του κόσμου για πάντα; Η βιοπληροφορικός Ντάινα Ζιελίνσκι μοιράζεται μαζί μας την επιστήμη που χρειάζεται για μια λύση που υπάρχει εδώ και αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια: το DNA

Αυτή η ομιλία δόθηκε σε μια εκδήλωση TEDx, χρησιμοποιώντας τη μορφή των συνεδρίων TED αλλά με ανεξάρτητη παραγωγή από μια τοπική κοινότητα. Μάθετε περισσότερα στο http://ted.com/tedx

Θα μπορούσα να βάλω όλες
τις ταινίες που έχουν δημιουργηθεί ποτέ

σε αυτόν τον σωλήνα.

Αν δεν το βλέπετε, αυτό είναι το νόημα.

(Γέλια)

Πριν καταλάβουμε πώς αυτό είναι δυνατόν,

είναι σημαντικό να καταλάβουμε την αξία
αυτού του κατορθώματος.

Όλες οι σκέψεις και οι πράξεις μας σήμερα,

μέσα από βίντεο και φωτογραφίες,

ακόμα και οι αθλητικές μας δραστηριότητες,

αποθηκεύονται σαν ψηφιακά δεδομένα.

Εκτός από το αν θα έχουμε
αρκετό χώρο στα κινητά μας,

σπάνια σκεφτόμαστε
το ψηφιακό μας αποτύπωμα.

Αλλά η ανθρωπότητα συνολικά
έχει παράγει περισσότερα δεδομένα

τα τελευταία χρόνια

από ότι σε ολόκληρη
την προηγούμενη ιστορία του ανθρώπου.

Τα μεγάλα δεδομένα
έχουν γίνει μεγάλο πρόβλημα.

Η ψηφιακή αποθήκευση
είναι πραγματικά ακριβή,

και καμία από τις συσκευές που έχουμε
δεν αντέχει στη δοκιμασία του χρόνου.

Υπάρχει μια δωρεάν ιστοσελίδα
που λέγεται «Internet Archive»

Εκτός από δωρεάν βιβλία και ταινίες,

προσφέρει πρόσβαση σε σελίδες από το 1996.

Αυτό είναι πολύ δελεαστικό,

αλλά αποφάσισα να δω το ταπεινό ξεκίνημα
της σελίδας του TED.

Όπως βλέπετε, έχει αλλάξει αρκετά
τα τελευταία 30 χρόνια.

Αυτό με οδήγησε στο πρώτο TED,

το 1984,

και έτυχε να μιλάει ένα στέλεχος της SONY,

και να εξηγεί πώς λειτουργεί
ένας δίσκος CD.

(Γέλια)

Είναι απίστευτο να μπορείς
να πηγαίνεις πίσω στον χρόνο

και να έχεις πρόσβαση στη στιγμή αυτή.

Είναι επίσης συναρπαστικό ότι
30 χρόνια μετά από το πρώτο TED,

ακόμα μιλάμε για ψηφιακή αποθήκευση.

Αν κοιτάξουμε άλλα 30 χρόνια πίσω,

η ΙΒΜ κυκλοφόρησε
τον πρώτο σκληρό δίσκο το 1956.

Εδώ το βλέπετε να φορτώνεται για μεταφορά,
μπροστά από ένα μικρό ακροατήριο.

Είχε χώρο ισοδύναμο
με ένα τραγούδι σε φορμάτ mp3

και ζύγιζε πάνω από ένα τόνο.

Στα 10.000 δολάρια ανά μεγαμπάιτ,

δεν νομίζω κάποιος από εδώ θα το αγόραζε,

εκτός ίσως, σαν συλλεκτικό αντικείμενο.

Αλλά είναι το καλύτερο που μπορούσαμε
να κάνουμε εκείνη την εποχή.

Έχουμε κάνει μεγάλη πρόοδο
στην ψηφιακή αποθήκευση.

Οι συσκευές έχουν εξελιχθεί δραματικά.

Αλλά τελικά όλα τα μέσα
φθείρονται ή γίνονται απαρχαιωμένα.

Αν σήμερα κάποιος σας έδινε μία δισκέτα
για την παρουσίασή σας,

πιθανότατα θα τον κοιτάγατε
κάπως περίεργα, ίσως γελώντας,

αλλά δεν θα υπήρχε τρόπος
να την χρησιμοποιήσετε.

Αυτές οι συσκευές δεν ικανοποιούν πια
τις ανάγκες μας σε αποθήκευση,

παρόλο που μερικές μπορούν να
χρησιμοποιηθούν αλλιώς.

Όλη η τεχνολογία σταδιακά
πεθαίνει ή χάνεται,

μαζί με τα δεδομένα μας,

όλες μας τις αναμνήσεις.

Επικρατεί η ψευδαίσθηση ότι έχουμε λύσει
το αποθηκευτικό μας πρόβλημα,

αλλά απλά το έχουμε μεταφέρει αλλού.

Δεν μας νοιάζει να αποθηκεύουμε
τα μέιλ και τις φωτογραφίες μας.

Απλά υπάρχουν στο cloud.

Αλλά πίσω από την επιφάνεια,
η αποθήκευση είναι προβληματική.

Άλλωστε, το cloud, είναι απλά
πολλοί σκληροί δίσκοι μαζί.

Τα περισσότερα ψηφιακά δεδομένα μπορούμε
να ισχυριστούμε ότι δεν είναι σημαντικά.

Σίγουρα θα μπορούσαμε απλά
να τα διαγράψουμε.

Αλλά πως μπορούμε να ξέρουμε
τι είναι πραγματικά σημαντικό σήμερα;

Μάθαμε τόσα για την ανθρώπινη ιστορία

από ζωγραφιές και γράψιμο στις σπηλιές,

από λίθινες πλάκες.

Έχουμε αποκωδικοποιήσει γλώσσες
από την Στήλη της Ροζέττας.

Και όμως, δεν θα μάθουμε
ποτέ όλη την ιστορία.

Τα δεδομένα είναι η ιστορία μας,
ακόμα περισσότερο σήμερα.

Δεν θα έχουμε τα δεδομένα μας
καταγεγραμμένα σε λίθινες πλάκες.

Όμως δεν χρειάζεται
να διαλέξουμε τώρα τι είναι σημαντικό.

Υπάρχει τρόπος
να τα αποθηκεύσουμε όλα.

Αποδεικνύεται ότι υπάρχει λύση

εδώ και μερικά δισεκατομμύρια χρόνια,

και είναι μέσα σε αυτό το σωλήνα.

Το DNA είναι το παλαιότερο
μέσο αποθήκευσης της φύσης.

Στο κάτω κάτω, περιέχει όλες
τις απαραίτητες πληροφορίες

για τη δημιουργία και τη συντήρηση
ενός ανθρώπινου πλάσματος.

Αλλά τι κάνει το DNA τόσο σπουδαίο;

Ας πάρουμε σαν παράδειγμα
το γονιδίωμά μας.

Αν τυπώναμε τα 3 δις A, T, C και G,
αζωτούχες βάσεις,

σε μια συγκεκριμένη
γραμματοσειρά και μορφή,

και μετά στοιβάζαμε όλα αυτά τα χαρτιά,

θα ήταν περίπου 130 μέτρα ψηλά,

κάπου ανάμεσα στο άγαλμα της ελευθερίας
και το μνημείο Γουάσιγκτον.

Αν μετατρέπαμε όλα τα A, T, C και G

σε ψηφιακά δεδομένα, σε 0 και 1,

θα ήταν συνολικά μερικά γιγαμπάιτ μνήμης.

Και αυτό ισχύει
για κάθε κύτταρο του σώματός μας.

Έχουμε πάνω από 30 τρις κύτταρα.

Πιάνετε την ιδέα:

το DNA μπορεί να αποθηκεύσει
τεράστια ποσότητα πληροφοριών

σε ένα μικροσκοπικό χώρο.

Το DNA επίσης είναι πολύ ανθεκτικό,

και ούτε ηλεκτρισμό χρειάζεται
για να αποθηκευτεί.

Το ξέρουμε γιατί επιστήμονες βρήκαν
DNA από αρχαίους ανθρώπους

που έζησαν εκατοντάδες
χιλιάδες χρόνια πριν.

Ένας από αυτούς ήταν ο Έτσι,
ο άνθρωπος των πάγων.

Από ότι φαίνεται ήταν Αυστριακός.

(Γέλια)

Βρέθηκε καλά διατηρημένος ψηλά,

στα βουνά ανάμεσα σε Ιταλία και Αυστρία,

και διαπιστώθηκε ότι έχει
γενετικούς συγγενείς εν ζωή,

εδώ στην Αυστρία σήμερα.

Άρα ένας από εσάς
μπορεί να είναι ξάδερφος του.

(Γέλια)

Το θέμα είναι ότι είναι πιο πιθανόν
να ανακτήσουμε πληροφορίες

από έναν αρχαίο άνθρωπο
από ότι από ένα παλιό τηλέφωνο.

Είναι επίσης πολύ λιγότερο πιθανό

να χάσουμε την ικανότητα
να διαβάζουμε το DNA.

από οποιαδήποτε συσκευή
που φτιάχτηκε από ανθρώπους.

Κάθε καινούργια μορφή αποθήκευσης απαιτεί
έναν καινούργιο τρόπο να την διαβάσεις.

Πάντα θα μπορούμε να διαβάσουμε το DNA.

Αν κάποτε δεν θα μπορούμε πια
να αλληλουχίσουμε το DNA,

θα έχουμε σοβαρότερα προβλήματα
από την αποθήκευση δεδομένων.

Η αποθήκευση δεδομένων σε DNA
δεν είναι κάτι καινούργιο.

Η φύση το κάνει εδώ και αρκετά
δισεκατομμύρια χρόνια.

Στην πραγματικότητα κάθε ζωντανό ον,
είναι μία συσκευή αποθήκευσης DNA.

Αλλά πώς αποθηκεύουμε εμείς
δεδομένα στο DNA;

Αυτή είναι η φωτογραφία 51.

Είναι η πρώτη φωτογραφία του DNA,

τραβηγμένη περίπου 60 χρόνια πριν.

Είναι περίπου η ίδια εποχή με τον
σκληρό δίσκο που κυκλοφόρησε η IBM.

Άρα η γνώση μας για την ψηφιακή αποθήκευση
και το DNA έχουν εξελιχθεί ταυτόχρονα.

Πρώτα μάθαμε να αλληλουχίζουμε
ή να διαβάζουμε το DNA,

και λίγο αργότερα πώς να το γράφουμε,

ή να το συνθέτουμε.

Είναι περίπου ίδιο με το πώς μαθαίνουμε
μία καινούργια γλώσσα.

Τώρα έχουμε την ικανότητα να διαβάζουμε,
να γράφουμε και να αντιγράφουμε DNA.

Το κάνουμε συνέχεια στο εργαστήριο.

Οπότε τα πάντα, πραγματικά τα πάντα,
που μπορούν να αποθηκευτούν σαν 0 και 1

μπορούν να αποθηκευτούν στο DNA.

Για να αποθηκεύσουμε κάτι ψηφιακά,
όπως αυτή η φωτογραφία,

το μετατρέπουμε σε μπιτ,
ή αλλιώς δυαδικά ψηφία.

Κάθε πίξελ σε μια ασπρόμαυρη φωτογραφία
είναι απλά ένα 0 ή 1.

Μπορούμε να γράψουμε DNA περίπου όπως
ένας εκτυπωτής τυπώνει γράμματα σε χαρτί.

Απλά πρέπει να μετατρέψουμε τα δεδομένα,
όλα αυτά τα 0 και 1,

σε A, T, C και G,

και μετά τα στέλνουμε
σε εταιρεία σύνθεσης.

Οπότε μπορούμε να τα γράψουμε,
να τα αποθηκεύσουμε,

και όταν θέλουμε να τα ανακτήσουμε,
απλά τα αλληλουχίζουμε.

Το διασκεδαστικό κομμάτι είναι
να αποφασίσεις τι αρχεία θα συμπεριλάβεις.

Σαν σοβαροί επιστήμονες, έπρεπε
να συμπεριλάβουμε το χειρόγραφο

για τις επόμενες γενιές.

Επίσης, βάλαμε και μία δωροεπιταγή
Amazon αξίας 50 δολαρίων.

Μην ενθουσιάζεστε, ήδη χρησιμοποιήθηκε,
κάποιος την αποκωδικοποίησε --

καθώς και ένα λειτουργικό σύστημα,

μία από τις πρώτες ταινίες
που φτιάχτηκαν ποτέ

και μια πλάκα του Pioneer.

Μερικοί ίσως να την έχετε δει.

Είναι μια απεικόνιση, ας πούμε
ενός τυπικού άντρα και μίας γυναίκας

και η κατά προσέγγιση τοποθεσία μας
στο Ηλιακό Σύστημα,

σε περίπτωση που το διαστημόπλοιο
Pioneer συναντήσει εξωγήινους.

Μόλις αποφασίσουμε ποια αρχεία
θέλουμε να κωδικοποιήσουμε,

συσκευάζουμε τα δεδομένα,

μετατρέπουμε τα 0 και 1 σε A, T, C και G,

και μετά στέλνουμε το αρχείο
σε μία εταιρεία σύνθεσης DNA.

Και πήραμε πίσω αυτό.

Τα αρχεία μας ήταν σε αυτόν τον σωλήνα.

Το μόνο που είχαμε να κάνουμε
ήταν να τα αλληλουχίσουμε.

Όλο αυτό ακούγεται ξεκάθαρο,

αλλά η διαφορά μεταξύ
μιας έξυπνης διασκεδαστικής ιδέας

και κάτι που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε

είναι να ξεπεράσουμε
τις πρακτικές δυσκολίες.

Ενώ το DNA είναι πιο γερό από
κάθε άλλη συσκευή φτιαγμένη από άνθρωπο,

δεν είναι τέλειο.

Έχει κάποιες αδυναμίες.

Ανακτάμε το μήνυμα,
αλληλουχίζοντας το DNA,

και κάθε φορά που τα δεδομένα ανακτώνται,

χάνουμε το DNA.

Είναι μέρος της διαδικασίας αλληλούχισης.

Δεν θέλουμε να ξεμείνουμε από δεδομένα.

Αλλά ευτυχώς, υπάρχει τρόπος,
να αντιγράψουμε το DNA

που είναι φθηνότερος και ευκολότερος
από το να το συνθέσουμε.

Δοκιμάσαμε έναν τρόπο για να γίνουν
200 τρις αντίγραφα των αρχείων μας

και ανακτήσαμε όλα τα δεδομένα
χωρίς σφάλματα.

Η αλληλούχιση επίσης
εισάγει σφάλματα μέσα στο DNA,

μέσα στα A, T, C και G.

Η φύση έχει τρόπο να το αντιμετωπίζει
αυτό μέσα στα κύτταρά μας,

αλλά τα δεδομένα μας είναι αποθηκευμένα,
σε συνθετικό DNA σε σωλήνα,

οπότε έπρεπε να βρούμε δικό μας τρόπο
για να ξεπεράσουμε αυτό το πρόβλημα.

Αποφασίσαμε να χρησιμοποιήσουμε

έναν αλγόριθμο, σαν αυτόν
που χρησιμοποιείται για τη ροή βίντεο.

Όταν ρέει ένα βίντεο,

ουσιαστικά προσπαθείς να ανακτήσεις
το αρχικό βίντεο, το αρχικό αρχείο.

Όταν προσπαθούμε
να ανακτήσουμε τα αρχεία μας,

απλά τα αλληλουχίζουμε.

Και οι δυο διαδικασίες γίνονται με σκοπό
την ανάκτηση αρκετών 0 και 1

ώστε να επανενωθούν τα δεδομένα.

Λόγω της στρατηγικής κωδικοποίησής μας

μπορέσαμε να συσκευάσουμε
όλα μας τα δεδομένα

με τρόπο που μας επέτρεψε να φτιάξουμε
εκατομμύρια και τρις αντίγραφα

και πάντα να ανακτούμε τα αρχεία μας.

Αυτή είναι η ταινία που κωδικοποιήσαμε.

Είναι από τις πρώτες ταινίες που
δημιουργήθηκαν ποτέ,

και τώρα πια η πρώτη που αντιγράφηκε
περισσότερες από 200 τρις φορές στο DNA.

Σύντομα μετά τη δημοσίευση
της εργασίας μας,

συμμετείχαμε σε ένα «Ρωτήστε ό,τι θέλετε»
στην σελίδα reddit.

Αν είστε και εσείς σπασίκλας,
θα ξέρετε αυτή τη σελίδα.

Οι περισσότερες ερωτήσεις ήταν ψαγμένες,
μερικές ήταν αστείες.

Για παράδειγμα, ένας χρήστης ρώτησε
πότε θα είχαμε εμφυτευμένο στικάκι.

Το θέμα είναι ότι,

το DNA μας ήδη αποθηκεύει ότι χρειάζεται,
για να μας κάνει αυτούς που είμαστε.

Είναι πολύ πιο ασφαλές
να αποθηκεύεις δεδομένα στο DNA

σε συνθετικό DNA σε έναν σωλήνα.

Διαβάζοντας και γράφοντας δεδομένα από DNA
είναι προφανώς πολύ πιο χρονοβόρο

από την απλή αποθήκευση αρχείων
σε έναν σκληρό δίσκο --

προς το παρόν.

Οπότε κατ' αρχάς, πρέπει να εστιάσουμε
στην μακρόχρονη αποθήκευση.

Τα περισσότερα δεδομένα είναι εφήμερα,

είναι δύσκολο να συλλάβεις
τι είναι σημαντικό σήμερα,

ή τι θα είναι σημαντικό
για τις μελλοντικές γενιές.

Το θέμα είναι ότι δεν χρειάζεται
να αποφασίσουμε σήμερα.

Υπάρχει ένα σπουδαίο πρόγραμμα της UNESCO
που λέγεται «Η μνήμη του Κόσμου».

Δημιουργήθηκε για να διατηρήσει
ιστορικά υλικά

τα οποία θεωρούνται αξίας
για όλη την ανθρωπότητα.

Διάφορα αντικείμενα προτείνονται
για να προστεθούν στη συλλογή,

συμπεριλαμβανομένης και
της ταινίας που κωδικοποιήσαμε.

Ενώ είναι ένας θαυμάσιος τρόπος διατήρησης
της ανθρώπινης κληρονομιάς,

δεν χρειάζεται να είναι επιλογή.

Αντί να ρωτάμε αυτή τη γενιά -εμάς-

τι μπορεί να είναι σημαντικό
για το μέλλον,

μπορούμε να αποθηκεύουμε τα πάντα στο DNA.

Η αποθήκευση δεν έχει να κάνει
με την ποσότητα των μπάιτ

αλλά με το πόσο καλά μπορούμε

να αποθηκεύσουμε
και να ανακτήσουμε τα δεδομένα.

Πάντα υπάρχει η αντίθεση ανάμεσα
στο πόσα μπορούμε να παράγουμε

και πόσα μπορούμε να ανακτήσουμε

και πόσα μπορούμε να αποθηκεύσουμε.

Κάθε πρόοδος στην καταγραφή δεδομένων
απαιτεί νέο τρόπο για να διαβαστούν.

Δεν μπορούμε πλέον
να διαβάσουμε παλιά μέσα.

Πόσοι από σας έχουν μονάδα
δίσκου στο λάπτοπ,

πόσο μάλλον μια μονάδα για δισκέτα;

Δεν θα συμβεί ποτέ αυτό με το DNA.

Όσο υπάρχουμε εμείς,
θα υπάρχει και το DNA,

και θα βρίσκουμε τρόπο
να το αλληλουχίσουμε.

Αρχειοθετώντας τον κόσμο γύρω μας
είναι μέρος της ανθρώπινης φύσης.

Αυτή είναι η πρόοδος που έχουμε κάνει
στην ψηφιακή αποθήκευση σε 60 χρόνια,

σε μία εποχή που ήμασταν στο ξεκίνημα
για την κατανόηση του DNA.

Παρόλα αυτά, έχουμε κάνει παρόμοια πρόοδο
στον μισό χρόνο με την αλληλούχιση του DNA

και όσο θα υπάρχουμε εμείς,
το DNA δεν θα γίνει ποτέ απαρχαιωμένο.

Σας ευχαριστώ.

(Χειροκρότημα)