|  | 20 февраля 2015 | Информационные технологии

Технологии использования ДНК для долгосрочного хранения становятся немного ближе к реальности

Информация ДНК


В настоящее время исследователи из различных уголков земного шара занимаются поисками и разработками новых технологий долговременного хранения информации. Это связано с тем, что существующие носители информации, такие, как жесткие диски, оптические диски, flash-память и т.п. могут обеспечить сохранность информации на протяжении максимум 50-100 лет. Одним из альтернативных методов долговременного хранения информации является использование молекул ДНК в качестве информационных носителей. Однако, главным недостатком этого метода является достаточно высокий уровень ошибок, связанных с несовершенством используемых методов и временной химической деградации молекул, возникающих при определении последовательности (секвенсировании) генетического кода, содержащегося в ДНК.

Недавно исследователи из Швейцарского федерального технологического института (Swiss Federal Institute of Technology, ETH) в Цюрихе провели исследования, в ходе которых было решено некоторое количество основных проблем, связанных с хранением информации в ДНК, а найденные учеными решения позволяют уже сейчас реализовать методы свободного от ошибок хранения генетически закодированной цифровой информации. Дальнейшие же совершенствования разработанных учеными технологий позволят создать устройства хранения информации, способные надежно хранить ее в течение миллиона лет или около этого.

Кодирование и декодирование ДНК


Первой решенной учеными проблемой стала проблема предотвращения химической деградации молекул ДНК. Для этого ученые поместили образцы генетического материала в полости сфер из разных материалов, в том числе и из кварцевого стекла, диаметр которых был равен 150 нанометрам. Для проверки качества герметизации и работы "упаковки" исследователи выдерживали запечатанную ДНК при температуре от 60 до 70 градусов по шкале Цельсия. Несколько недель хранения в таких условиях, с точки зрении интенсивности процессов химической деградации, эквивалентны сотням лет хранения генетического материала в нормальных условиях.

Проверка сохранности генетического материала, прошедшего процедуру ускоренного искусственного старения, показала, что только капсулы из кварцевого стекла смогли обеспечить целостность молекул ДНК, в которых сохранилась вся закодированная в них информация.

Вторая проблема, которую удалось решить швейцарским ученым, заключается в том, что любое существующее оборудование секвенсирования ДНК не дает абсолютно точных результатов. У любого такого оборудования имеется параметр, называемый абсолютной погрешностью, значение которого может отличаться на порядок и больше у простых и сложных установок, стоимость которых различается еще на большее количество порядков. Но и самые лучшие образцы устройств-секвенсоров неспособны обеспечить стопроцентную точность считывания генетической информации, что абсолютно неприемлемо для любых устройств хранения информации.

Коррекция ошибок


Для преодоления этой проблемы исследователи использовали очень старый прием, заключающийся в использовании корректирующего кодирования, содержащего избыточную информацию. Ученые использовали код Рида-Соломона (Reed-Solomon Code), который обеспечивает более надежную коррекцию ошибок, нежели код Хэмминга, использовавшийся в первых гибких, жестких и оптических дисках. Использование кода Рида-Соломона позволяет восстановить точные значения хранимых данных в случаях возникновения ошибок обоих типов, чтения или ошибок, связанных с химической деградацией молекул ДНК.

Как и любой другой самокорректирующийся код, код Рида-Соломона работает за счет наличия в наборе избыточных данных, которые позволяют определить и исправить возникшие ошибки. "Для того, чтобы определить кривую, к примеру, параболу, требуется только три точки" - рассказывает Райнхард Хекель (Reinhard Heckel), сотрудник Лаборатории коммуникационных технологий ETH Zurich, - "Мы добавили к этому еще две точки, для случая, когда одна любая точка потеряется или сместится со своей позиции".




Ключевые слова:
ДНК, Молекула, Хранение, Информация, Последовательность, Секвенсирование, Деградация, Ошибки, Коррекция, Код

Первоисточник

Другие новости по теме:
  • Создан композитный полимерный наноматериал, идеально подходящий для гологра ...
  • Создан новый тип памяти, способной обеспечить сохранность данных на протяже ...
  • Новая технология оптической записи обеспечит срок хранения информации, сопо ...
  • Молекулы ДНК могут использоваться для надежного хранения цифровых данных, п ...
  • Компания Hitachi представляет технологию "вечного" хранения данных.




  • 20 февраля 2015 06:43
    #1 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    исследователи выдерживали запечатанную ДНК при температуре от 60 до 70 градусов по шкале Цельсия. Несколько недель хранения в таких условиях, с точки зрении интенсивности процессов химической деградации, эквивалентны сотням лет хранения генетического материала в нормальных условиях.

    Я всегда полагал, что в замороженном виде ДНК хранится на порядки дольше, чем в обычных условиях. (Вспоминая останки различных животных, которые находили во льдах Арктики). Здесь же почему-то утверждают обратное.
        
    20 февраля 2015 07:58
    #2 Написал: FomaNeverujuwij

    Публикаций: 0
    Комментариев: 3867
    Цитата: zlat
    Здесь же почему-то утверждают обратное

    60-70 градусов - это несколько совсем не то, что -60 - -70 градусов.


    --------------------
        
    20 февраля 2015 08:24
    #3 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    Цитата: FomaNeverujuwij
    60-70 градусов - это несколько совсем не то, что -60 - -70 градусов.

    Да вот, судя по статье http://zdravkom.ru/med_stress/lenta_318/index.html криогенную заморозку для дальнейшего восстановления жизнедеятельности делают именно при 60-70 градусах.
    Хм, а в статье говорится про цельсии. Тогда вообще непонятно. Замершие и сохранившиеся живонтые на полюсах - это уже по цельсию.
        
    20 февраля 2015 10:07
    #4 Написал: FomaNeverujuwij

    Публикаций: 0
    Комментариев: 3867
    zlat
    По поводу криогенных температур
    криогенными температурами следует называть температуры ниже 120 Кельвинов (температура конденсации природного газа) до температуры 0,7 K (температура получения жидкого гелия под вакуумом).


    Цитата: zlat
    судя по статье криогенную заморозку для дальнейшего восстановления жизнедеятельности делают именно при 60-70 градусах

    Давайте для точности в своих комментариях указывать шкалу, а то нестыковки выходят
    в криохранилище под Москвой при минус 200С хранятся тела


    Цитата: zlat
    Замершие и сохранившиеся живонтые на полюсах

    А никто и не говорит в этом случае про криогенную заморозку. Эти животные были просто замерзшие при температурах не ниже -50 градусов Цельсия (что не попадает под понятие криогенной температуры) и потому сохранившиеся.


    --------------------
        
    20 февраля 2015 10:24
    #5 Написал: Джон

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    "... жесткие диски, оптические диски, flash-память и т.п. могут обеспечить сохранность информации на протяжении максимум 50-100 лет..." - Неточная преамбула, так будет правильнее: "В 2014 году украинскими учеными был создан сапфировый диск (его представлял академик Вячеслав Петров), способный хранить информацию «вечно». Температура плавления этого диска чуть больше 2000 °C, по твердости он уступает лишь алмазу, я не говорю уже о его износоустойчивости." Пройдет совсем немного времени и технология изготовления такого диска, объем информации, размещаемый на нем, и т.д. будут доведены до комфортных величин и характеристик".

    Но соглашусь в том, что одно изобретение другому мешать не будет, - лишь бы не было ядерной войны: сами понимаете, оставшимся на планете воронам, крысам и тараканам наша информация о себе и своих "деяниях" будет абсолютно не нужна...
        
    20 февраля 2015 10:49
    #6 Написал: zlat

    Публикаций: 0
    Комментариев: 481
    Цитата: FomaNeverujuwij
    А никто и не говорит в этом случае про криогенную заморозку.

    Так, а где в статье про криогенную заморозку говорится?
    Я так понимаю, что в статье речь идет про цельсии. (Правда, я в начале подумал про абсолютную температуру).
    Но и в том, и в другом случае факты говорят про то, что тела(а в месте с ним и ДНК) лучше сохраняются при 60(-60 по цельсию или 60 по кельвину) градусах, чем при комнатной температуре. Полагаю, что даже фаренгейты дело не изменят.
        
    20 февраля 2015 17:45
    #7 Написал: Rsa

    Публикаций: 0
    Комментариев: 505
    Цитата: zlat
    Я так понимаю, что в статье речь идет про цельсии.

    Там прямо написано, что о цельсиях. И:
    исследователи выдерживали запечатанную ДНК при температуре от 60 до 70 градусов по шкале Цельсия. Несколько недель хранения в таких условиях, с точки зрении интенсивности процессов химической деградации, эквивалентны сотням лет хранения генетического материала в нормальных условиях.

    Их специально нагревали, чтобы смоделировать хранение в течении сотен лет. При 60 градусах процессы разрушения идут в сотни раз быстрее, чем при комнатной температуре. Это обычный способ тестирования долговечности в технике. И ни о какой криогенности в статье нет ни слова. Разумеется, в охлажденном состоянии они будут храниться намного дольше, чем при комнатной температуре и тем более, чем при 60 градусах.
        
    20 февраля 2015 20:12
    #8 Написал: CodeX

    Публикаций: 0
    Комментариев: 120
    Давайте попробуем разложить по полочкам эту информацию.
    Однако, главным недостатком этого метода является достаточно высокий уровень ошибок, связанных с несовершенством используемых методов и временной химической деградации молекул, возникающих при определении последовательности (секвенсировании) генетического кода, содержащегося в ДНК.

    Дело не в недостатке метода, а в несовершенстве методов расшифровки и интерпретаци кода. Мы в себе несем информацию, вместе с избыточным кодом, всецело описывающую в самой своей структуре не только методы шифрации/дешифрации, но и предпосылок к оптимизации и исследованию и углублению способов расшифровки. По сути, пытаются сделать некий холодильник, который смог бы долгосрочно хранить те части архива, которые предназначены именно для краткосрочного хранения информации. Изначально подход не совсем корректен, хотя он несет в себе некие перспективы. Попытки расшифровки теряют ряд важных промежуточных звеньев декодирования, которые коренным образом взаимосвязаны именно, как нам может показаться, с избыточным кодом. Но природа никогда не будет совершать излишние затраты энергии на достижение именно тех целей, которые необходимы ей именно в данный момент именно для решения конкретной задачи. Все остальное лишь технические подробности, которые вы тут пытаетесь обсуждать. Если зрить в корень, каждый должен учесть, что существует ряд промежуточных звеньев, на данном этапе развития не берущихся в учет. И чем выше инфоёмкость конечной системы, тем больше сюрпризов заложено даже на этапе методом проб и ошибок в попытках "сохранить" или "извлечь". Следующая ступенька, это сам подход к "хранению". Это не просто хранение, это именно способ передачи! Именно тот способ, который показала нам наша природа, и он сопровождает нас уже столько, сколько существует органическая жизнь. Я бы даже привёл в пример отличия X и Y хромосом в наличии избыточного кода, но это тема несколько иного обсуждения.
    Далее, по поводу самокорректирующегося кода. Это уже ближе к основной сути. Привели в пример код Хемминга. А чем плохи фракталы виолета и мандельброта? Просто, иногда надо оторвать свой взгляд от доски рассечтов и посмотреть на удивительную природу капусты. Что мы видим? кругом одни фракталы. По сути, идет поиск некоей оптимальной аппаратной реализации кодирования/декодирования массивов. Если вернуться к самокорректировке, то избыточный код по прежнему остается, замечу, пока остается, наиболее корректным и наименее затратным способом самокорректировки,

    Отдельня тема, это непривязанность ко времени хранения информации. Следуя логике статьи, пытаются изобрести велосипед, увидев этот вундердевайс у соседа. Он уже изобретен, он в нас самих. Может, снова стоит обратить внимание на то как репродуцирует секвенцию РНК участков кода набор кислот? Не к длительности хранения надо сводить все дело, а к состоянию наилучшего (читай: надежного и быстрого) сохранения и декодирования Участков кода.
    Привели в пример носители хранения информации. Флеш память, носители на ТМД, и иже с ними, их существует много, принцип один - бинарная секвенция. Так выбейте на камне последовательность точек и черточек, какие проблемы то?(что и было предположено по поводу кристаллов сапфира.) Сохранится очень долго. Код не только должен самокорректироваться, даже на этапе хранения, он еще должен отвечать за энтропию инфомрационного состава, относительно среды дешифровки. Уверен, наскальная живопись для древних была важна, для нас она не более чем музейная ерунда. И снова хочу обратить внимание ученых на уже существующие участки кода живых существ: как они проносят и изящно дешифруют информацию сквозь неопределенно долгое время.

    По поводу нагревания и повышения температуры. Это критично именно для белковых связей. А кто тут предложил небелковые связи, мм? я что-то не заметил как кто-то отталкивался от биохимии в сторону полимеров или неизвестных науке новых сплавов. Приведу так сказать, ну максимально элементарный пример. Всем известно, что титан обладает высочайшей, в сравнении с другими металлами и сплавам, остеоинтеграцией. Вы представить себе пока еще не можете, сколько таких соединений ждет своего открытия ;) Не надо далеко отходить от нашей природы и физики. Все чудеса здесь, на кончиках наших пальцев. То, что синхронно с нашей биологической природой, несет в себе самые яркие ответы на самые сложные вопросы.

    ЗЫ буду корректировать и дополнять комментарий по мере появления новых мыслей, но ИМХО, в данном случае, это одно из самых важных и перспективных направлений исследования для науки в целом. Одна из немногих статей, которая несет обзор чего то, достаточно весомого.
    ЗЫЫ покупайте смартфоны и часы где вместо кремния используются кристаллы сапфира. Экстрасенсы, спустя много лет, смогут прочесть, кто вы были, с кем вы спали, как хорошо питались и ходили в туалет.
        
    20 февраля 2015 22:24
    #9 Написал: argo

    Публикаций: 0
    Комментариев: 64
    Сапфировые микросхемы вместо кварцевых использовались при создании системы " неотвратимый ответ" еще в начале восьмидесятых. Их отличительной особенностью является устойчивость к ЭМИ и радиации.
    производились на заводе "Сапфир" в Москве, в районе станций метро Семеновская - Измайловская.
    Объект столь важный с точки зрения НАТО, что его координаты внесены в одну из систем наведения баллистических ракет размещенных в Европе.
    Там же в 1986 году впервые был создан диск по типу виниловых бороздчатых дисков для граммофонов с иглой, из чистого сапфирового сплава. Долговечность - бесконечность.
    Возможно Украинскому профессору удалось уменьшить текстуру, сократить размеры дорожек сохранив читабельность и использовать луч лазера вместо иглы, но сама идея была воплощена там.Информация получена при личном контакте, от техника оператора работавшего в этой лаборатории в 1984 -1989г.
    Материальных подтверждений нет.
    Технология была признана избыточно дорогостоящей и не принята к разработке.
        
    20 февраля 2015 23:31
    #10 Написал: CodeX

    Публикаций: 0
    Комментариев: 120
    Да, Московский "Сапфир" это уникальное предприятие, которое, 20 лет назад, дебилы, оказавшиеся у власти, пустили с молотка по заграницам. Да и сейчас финансирование Сапфира идет не оттуда откуда надо. Важнейшее оборонное предприятие. Их уникальные разработки не имели и не имеют аналогов в мире. Все технопарки с их, "нано" технологиями рядом не валялись с разработками Сапфира. Тут больше тайн, чем открытой конкретики, не буду дальше обсуждать эту тему дабы не вводить людей в заблуждения. Тема жесткая и лучше её не трогать.
        
    21 февраля 2015 00:07
    #11 Написал: Rsa

    Публикаций: 0
    Комментариев: 505
    Цитата: CodeX
    Отдельня тема, это непривязанность ко времени хранения информации. Следуя логике статьи, пытаются изобрести велосипед, увидев этот вундердевайс у соседа. Он уже изобретен, он в нас самих. Может, снова стоит обратить внимание на то как репродуцирует секвенцию РНК участков кода набор кислот? Не к длительности хранения надо сводить все дело, а к состоянию наилучшего (читай: надежного и быстрого

    Это смотря что именно они собираются хранить в таком хранилище. Для какой-то инфы важнее время хранения и безошибочность, а для какой-то скорость чтения и декодирования. РНК хоть и обкатано самой природой, но этот метод очень медленный и главное, далеко не безошибочный. В природе - мутации вызванные ошибками декодирования ДНК - не просто обычное дело, это один из путей развития и эволюции.

    Цитата: CodeX
    По поводу нагревания и повышения температуры. Это критично именно для белковых связей.

    Это критично для любых химических связей в любых веществах. Просто критические температуры у всех разные. Но понятное дело, сапфир в этом плане выглядит намного более надежным хранилищем.
        
    21 февраля 2015 07:53
    #12 Написал: CodeX

    Публикаций: 0
    Комментариев: 120
    2 Rsa:
    Вы хотите сказать, что и в данном случае можно применить классическую триграмму, описав ее как "скорость", "количество", "долговечность", и выбрать можно каждый раз только любые 2 параметра из трёх?
        
    21 февраля 2015 12:20
    #13 Написал: argo

    Публикаций: 0
    Комментариев: 64
    Если честно, то сегодня наиболее перспективным методом хранения информации является Графено-корундовая пленка. срок ее хранения без видимых изменений, согласно результатам полученным на "Преше-Кукере"( это такой испытательный стенд в котором довольно резко изменяются температура, влажность и давление)превышает 10000 лет при нынешнем климате планеты земля. Пока очень дорого, Возможно дороже сапфира, но очень перспективно, ибо при массовом производстве цена упадет в сотни раз. Недостатком является отсутствие возможности переписать по новой или стереть информацию. Не возможна последующая переработка материала без изменению профиля применения.
        
    21 февраля 2015 15:22
    #14 Написал: Rsa

    Публикаций: 0
    Комментариев: 505
    CodeX, Да, думаю, в нашем случае это вполне адекватно опишет возможности систем хранения данных.
        
    22 февраля 2015 07:43
    #15 Написал: guryan

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    Данных накоплено уже столько, что они становятся бессмысленными.
        
    22 февраля 2015 14:39
    #16 Написал: argo

    Публикаций: 0
    Комментариев: 64
    Данных много, а качество баз данных очень низкое почти во всех областях. Тут ошиблись девочки при занесении, там самописец сломался, никто не отреагировал, и т.д., и тому подобное.
    Брал университетскую базу данных по операциям на финансовой бирже. Казалось бы все автоматизированно и база должна быть чистой и честной. Провели технический анализ и накопали столько багов, что цена этой базы -0, а место- помойка.
    Там сотни Тбайт ложных данных! Их хранят и предлагают воспользоваться не особо задумываясь о содержимом!
    Имел общение и с другими базами данных. почти везде та же ...ня.
        
    22 февраля 2015 15:02
    #17 Написал: Джон

    Публикаций: 0
    Комментариев: 0
    Аrgo, а теперь проанализируйте, насколько достоверной может быть писанина от древних...? Вы привели хороший пример технических ошибок современности. А сколько было, есть и будет ситуативных (умышленных) корректировок, от власть имущих, вокруг тех или иных событий, - организованных той или иной группой засранцев? Хорошим примером являются современные научно-технические и политические информационные ресурсы. Одно реальное событие обрастает сотней "базарных" интерпретаций, после которых простому обывателю практически невозможно выловить суть произошедшего.
        

    Информация

    Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.