Hogyan tárolhatunk digitális adatokat DNS-ben?

A hajlékonylemezektől a pendrive-ig az adattárolás összes módja elavul végül. Mi lenne, ha megtalálnánk a módját, hogy a világ összes adatát örökre tároljuk? A bioinformatikus Dina Zielinski beszél egy olyan megoldás tudományos hátteréről, amely már néhány milliárd éve működik: ez a DNS.

A valaha elkészített összes filmet
betehetném ebbe a kis tubusba.

Ha nem látják, pont ez a lényeg.

(Nevetés)

Mielőtt megértenék, hogyan lehetséges ez,

fontos, hogy megértsék
a felfedezés nagyságát.

Manapság minden gondolatunk
és cselekedetünk

fotókon és videókon keresztül –

még fitnesztevékenységünk is –

digitális adatként raktározódik el.

Eltekintve attól,

amikor elfogy a hely a telefonunkon,

ritkán gondolunk digitális lábnyomunkra.

Azonban az emberiség együttesen

több adatot hozott létre
az elmúlt pár évben,

mint az azt megelőző
emberi történelem során.

A sok adat nagy gonddá vált.

A digitális tárolás igen drága,

és egyik ilyen eszközünk
sem állta ki az idő próbáját.

Van egy nonprofit weboldal,
Internet Archívumnak hívják.

Az ingyenes könyvek és filmek mellett

1996-ig visszamenőleg
hozzáférhetünk weboldalakhoz.

Ez nagyon csábító, ezért úgy döntöttem,

visszamegyek, és megnézem
a TED weboldal igen szerény indulását.

Ahogy látják, meglehetősen megváltozott
az elmúlt 30 évben.

Ez vezetett engem a legelső TED videóhoz,

még 1984-ben,

ahol történetesen
a Sony igazgatója magyarázta el

a CD működését.

(Nevetés)

Valóban hihetetlen, hogy képesek vagyunk
visszamenni az időben,

és hozzáférni ehhez a pillanathoz.

Az is igazán lenyűgöző, hogy 30 év
és az első TED videó után

még a digitális adattárolásról
beszélgetünk.

Ha még 30 évet visszamegyünk,

az IBM megalkotta legelső merevlemezét

még 1956-ban.

Itt hajózzák be egy kis közönség előtt.

Egy MP3-dalnyi adatmennyiség
tárolására volt képes,

és több mint egy tonnát nyomott.

egy megabyte 10 000 dollárért,

nem hiszem, hogy bárki
megvásárolná ebben a helyiségben.

kivéve talán, ha gyűjtő.

De ez volt a legtöbb,
amire akkor képesek voltunk.

Nagyon nagy utat tettünk meg
adattárolás terén.

Az eszközök drámaian fejlődtek.

De minden média végül elhasználódik
vagy elavul.

Ha valaki átadna önöknek egy flopilemezt
bemutatójuk biztonsági másolatával,

valószínűleg furcsán néznének rá,
talán nevetnének,

de semmilyen módon nem tudnák
használni azt a fránya dolgot.

Ezek az eszközök már nem felelnek meg
adattárolási igényeinknek,

bár néhánynak találhatunk új funkciót.

Az összes technológia megszűnik
vagy elvész végül

adatainkkal,

emlékeinkkel.

Van egy illúzió, hogy megoldottuk
a tárolás problémáját,

de ez csupán a látszat.

Nem aggódunk íméljeink és fotóink miatt,

ott vannak a felhőben.

De a színfalak mögött a tárolás nehéz.

Akárhogy is, a felhő
csak egy rakás merevlemez.

Azt hiszem, mondhatjuk, hogy a legtöbb
digitális adatunk nem igazán életbevágó.

Akár le is törölhetjük őket.

De honnan tudhatnánk ma,
mi is fontos valójában?

Olyan sokat tanultunk
az emberiség történelméről

barlangrajzokból, barlangírásokból,

kőtáblákról.

Nyelveket fejtettünk meg
a rosette-i kőről.

De nem ismertük meg az egész történetet.

Adataink a történetünk.

Ma ez még inkább így van.

Már nem írunk kőtáblára.

És nem kell eldöntenünk, mi fontos most.

Van egy módja, hogy mindet megőrizzük.

Kiderült, hogy van egy megoldás,

amely pár milliárd éve létezik már,

és éppen itt van ebben a tubusban.

A DNS a természet legősibb adattárolója.

Elvégre minden információt tartalmaz,

amely szükséges egy emberi lény
létrejöttéhez és fennmaradásához.

De mi teszi a DNS-t olyan nagyszerűvé?

Vegyük például

a saját genomunkat.

Ha kinyomtatnánk mind a hárommilliárd
A-t, T-t, C-t és G-t

egy szokásos betűtípussal
egy általános formában,

majd egymásra raknánk a lapokat,

a halom magassága kb 130 méter lenne,

valahol a Szabadságszobor
és a Washingtoni Emlékmű között.

Ha mindezeket digitális formában,

nullákban és egyesekben tárolnánk,

néhány giga volna.

És ezt minden sejtünk tartalmazza.

Több mint 30 billió sejtünk van.

Értik a gondolatot:

A DNS hatalmas mennyiségű információt
tud tárolni rendkívül kis helyen.

A DNS nagyon hosszan fenn is marad,

még csak elektromosságra
sincs szüksége a tároláshoz.

Ezt onnan tudjuk,
hogy a tudósoknak sikerült

több százezer évvel ezelőtt élt
őseink DNS-ét helyreállítani.

Egyikük Ötzi, a Jégember.

Kiderült, hogy osztrák.

(Nevetés)

A magasban találtak rá,
jól konzerválódott állapotban,

Olaszország és Ausztria
között a hegyekben,

és mint kiderült, ma genetikai rokonai
élnek Ausztriában.

Úgyhogy egyikük talán Ötzi unokaöccse.

(Nevetés)

A lényeg, hogy jobb esélyünk van
az információ visszanyerésére

egy ősi emberi maradványból,

mint egy régi telefonból.

És kevésbé valószínű
DNS-olvasási képességünk elvesztése,

mint bármelyik emberi készüléké.

Minden egyes új tárolási forma
új olvasási módot is igényel.

A DNS olvasására mindig képesek leszünk.

Ha nem tudunk tovább szekvenálni,
nagyobb gondjaink lesznek,

mind az adattárolás miatt aggódni.

DNS-ben tárolni az adatokat nem új dolog.

A természet ezt teszi már
néhány milliárd éve.

Valójában minden élőlény
egy DNS-es adattároló.

De hogyan tárolhatunk adatokat DNS-ben?

Ez az 51-es fotó.

Ez a legelső fotó,
melyet a DNS-ről készítettek

hozzávetőlegesen 60 évvel ezelőtt.

Ez akkortájt volt, amikor az IBM
azt a merevlemezt gyártotta.

Valójában a digitális adattárolás
és a DNS megértése együtt fejlődött.

Először megtanultuk, hogyan szekvenáljunk
vagy olvassuk a DNS-t,

és nem sokkal utána, hogyan írjuk

vagy szintetizáljuk.

Ez nagyon hasonlít ahhoz,
ahogy egy új nyelvet tanulunk.

És most megvan a képességünk
a DNS olvasására, írására és másolására.

Rendszeresen végezzük ezeket a laborban.

Vagyis bármi, tényleg bármi, ami nullákban
és egyesekben tárolható,

DNS-ben is elraktározható.

Ahhoz, hogy valamit, pl. ezt a fotót,
digitálisan tudjunk tárolni,

bitekké vagy bináris kódokká
kell átalakítanunk.

Egy fekete-fehér fotón minden képpont
egy egyes vagy egy nulla.

Szinte úgy írhatjuk a DNS-t, ahogy
a nyomtató nyomtat levelet egy oldalra.

Csupán át kell alakítanunk
minden nullát és egyest

A-vá, T-vé, C-vé, G-vé,

majd elküldeni a szintetizáló céghez.

Tehát leírjuk, elraktározzuk,

és amikor hozzájuk akarunk férni
adatainkhoz, csak szekvenálnunk kell.

Az érdekes része ennek, amikor eldöntjük,
mely fájlokat akarjuk tárolni.

Komoly tudósok vagyunk,
ezért betettünk egy kéziratot

az utókor számára.

Egy 50 dolláros Amazon ajándékkártyát
is közéjük tettünk – ne izguljanak,

ezt már elküldték, és valaki dekódolta –

valamint egy operációs rendszert,

első filmjeink egyikét,

és egy Pioneer plakettet.

Néhányan talán látták ezt.

Egy tipikus férfi-nő ábrázolás van rajta,

és hozzávetőleges helyünk a Naprendszerben

arra az esetre, ha a Pioneer űrhajó
földönkívüliekkel találkozna.

Amikor eldöntöttük,
mely fájlokat akarjuk kódolni,

előkészítjük az adatokat,

a nullákat és egyeseket A-ká,
T-kké, C-kké és G-kké alakítjuk,

és a szintetizáló céghez küldjük.

És ezt kapjuk vissza.

Adataink ebben a kis tubusban voltak.

Nem kellett mást tennünk,
mint újraszekvenálni őket.

Ez elég egyszerűen hangzik,

de amíg eljutunk egy igazán remek,
szórakoztató ötlettől

annak gyakorlati használhatóságáig,

le kell győznünk pár nehézséget.

Nos, amíg a DNS erőteljesebb,
mint bármely ember alkotta szerkezet,

nem tökéletes.

Van néhány gyengesége.

Visszanyerjük üzenetünket
a DNS szekvenálásával,

de minden ilyen alkalommal

elveszítjük a DNS-t.

Ez egyszerűen része
a szekvenálási folyamatnak.

Nem akarjuk, hogy elfogyjanak adataink,

de szerencsére tudjuk másolni a DNS-t.

ami még olcsóbb és könnyebb is,
mint szintetizálni.

Teszteltünk egy módszert,
amellyel 200 billió másolatot

készítettünk fájljainkról, és az adatokat
hibátlanul helyre tudtuk állítani.

A szekvenálás hibákat is visz a DNS-ünkbe,

az A-kba, T-kbe, C-kbe, G-kbe.

A természetnek megvan a módszere
ennek kezelésére sejtjeinkben,

de a mi adataink egy tubusnyi
szintetikus DNS-ben vannak,

így kellett egy saját eljárás
ennek a problémának a megoldására.

Egy, a videoközvetítésnél használatos
algoritmust mellett döntöttünk.

Amikor videót közvetítünk,

lényegében megpróbáljuk helyreállítani
az eredeti videót, az eredeti fájlt.

Amikor megpróbáljuk
helyreállítani az eredeti fájlt,

egyszerűen szekvenálunk.

Igazából mindkét folyamat a nullák
és egyesek helyreállításáról szól,

adataink visszanyerése érdekében.

És így kódolási stratégiánk
lehetővé tette,

hogy oly módon rendezzük adatainkat,

amely lehetővé teszi akár milliónyi,
billiónyi másolat létrehozását úgy,

hogy fájljainkat mégis mind
vissza tudjuk nyerni.

Ez az a film, amit elkódoltunk,

az első valaha készített film egyike,

és az első, amelyet 200 billiószor
másoltunk DNS-be.

Miután eredményeinket közzétettük,

részt vettünk egy
"Kérdezz tőlem bármit"-on a redditen.

Ha otthon vannak számítógépes berkekben,
ismerős önöknek a weboldal [reddit.com].

A legtöbb kérdés elgondolkodtató volt.

Néhány igen mulatságos.

Például valaki azt kérdezte, mikor lesz
ebből igazi hüvelykujj-pendrive.

A helyzet az,
hogy DNS-ünk már mindent tartalmaz,

amely kellett ahhoz, hogy azzá váljunk,
amik vagyunk.

Sokkal biztonságosabb
DNS-ben adatot tárolni,

szintetikus DNS-ben, egy tubusban.

Adatokat DNS-be írni, és visszaolvasni
nyilvánvalóan jóval időigényesebb,

mint merevlemezre menteni
minden fájlunkat –

legalábbis idáig.

Ezért kezdetben a hosszútávú adattárolásra
kell a hangsúlyt helyezni.

A legtöbb adat tiszavirág-életű.

Nagyon nehéz eldönteni, mi fontos ma,

vagy mi lesz az a jövő generációi számára.

De a lényeg az,
hogy nem kell ma döntenünk.

Itt van az UNESCO nagyszerű
"A világ emlékezete" programja.

Azért hozták létre, hogy megőrizzék
a történelmi anyagokat,

melyeket az egész emberiség
értékeiként tartanak számon.

Dokumentumokat jelölnek meg
a gyűjtemény részeként,

beleértve az általunk kódolt filmet is.

Bár ez egy csodálatos mód
az emberiség örökségének megőrzésére,

nem szükséges választanunk.

Ahelyett, hogy megkérdeznénk
a mai generációt – magunkat –

vajon mi lesz fontos a jövőben,

mindent eltárolhatunk a DNS-ben.

A tárolás nem csak a byte-okról szól,

hanem arról is, mennyire jól tudjuk
tárolni és előhívni az adatokat.

Mindig volt egy feszültség aközött,
mennyi adatot hozunk létre,

mennyit tudunk tárolni,

és mennyit tudnunk visszanyerni.

Az adattárolás fejlődése folyamatosan
új olvasási módokat igényelt.

Többé nem vagyunk képesek
a régi hordozót olvasni.

Hányan vannak itt,
akiknek van még lemezmeghajtójuk

vagy pláne flopilemez-meghajtójuk
a laptopukjban?

Ez soha nem lesz probléma a DNS-sel.

Ameddig itt vagyunk, a DNS is itt van,

és megtaláljuk a módját,
hogy szekvenáljuk.

A körülöttünk lévő világ megörökítése
része az emberi természetnek.

Az elmúlt 60 évben fejlődött így
digitális adattárolásunk,

akkor, amikor még csak elkezdtük
megismerni a DNS-t.

Mégis, feleannyi idő alatt
hasonló fejlődést értünk el

DNS-szekvenátorokkal,
és amíg itt vagyunk, a DNS nem avul el.

Köszönöm.

(Taps)