Ib txoj kev tshawb nrhiav tshiab yuav siv sij hawm tseem ceeb rau kev txhim kho ib qho DNA-raws li qhov system cia rau cov ntaub ntawv digital.
Cov cov ntaub ntawv yog loj hlob ntawm tus exponential tus nqi niaj hnub no vim peb nyob ntawm gadgets thiab nws yuav tsum tau robust mus ntev cia. Cov ntaub ntawv khaws cia tau maj mam dhau los ua qhov nyuaj vim tias cov thev naus laus zis digital tam sim no tsis tuaj yeem muab kev daws teeb meem. Ib qho piv txwv yog tias ntau cov ntaub ntawv digital tau tsim nyob rau hauv ob xyoos dhau los tshaj li txhua yam keeb kwm ntawm computers, qhov tseeb 2.5 quintillion byte {1 quintillion byte = 2,500,000 Terabytes (TB) = 2,500,000,000 Gigabytes (GB)} ntawm cov ntaub ntawv raug tsim txhua hnub hauv ntiaj teb. Qhov no suav nrog cov ntaub ntawv ntawm cov chaw sib tham, kev lag luam hauv online, cov ntaub ntawv ntawm cov tuam txhab thiab cov koom haum, cov ntaub ntawv los ntawm satellites, kev soj ntsuam, kev tshawb fawb, kev txhim kho thiab lwm yam. Cov ntaub ntawv no loj heev thiab tsis tsim nyog. Yog li ntawd, tam sim no nws yog ib qho kev sib tw loj los daws cov kev xav tau loj loj rau cov ntaub ntawv thiab nws txoj kev loj hlob, tshwj xeeb tshaj yog rau cov koom haum thiab cov koom haum uas xav tau kev khaws cia ntev ntev.
Cov kev xaiv muaj tam sim no yog hard disk, optical disks (CDs), nco sticks, flash drives, thiab ntau tshaj tapes tsav los yog optical BluRay discs uas khaws cia kwv yees li 10 Terabytes (TB) ntawm cov ntaub ntawv. Xws li cov cuab yeej cia txawm tias siv feem ntau muaj ntau qhov tsis zoo. Ua ntej, lawv muaj lub neej txee qis-rau-nruab nrab thiab lawv yuav tsum tau muab cia rau hauv qhov zoo tagnrho kub thiab av noo kom muaj peev xwm nyob tau ntau xyoo lawm thiab yog li yuav tsum tau tsim tshwj xeeb hauv qhov chaw cia khoom. Yuav luag tag nrho cov no siv ntau lub zog, yog qhov loj thiab ua tsis tau zoo thiab tuaj yeem raug puas tsuaj rau lub caij nplooj zeeg yooj yim. Qee tus ntawm lawv kim heev, feem ntau plagued nrog cov ntaub ntawv yuam kev thiab yog li tsis muaj zog txaus. Ib qho kev xaiv uas tau txais kev lees paub thoob ntiaj teb los ntawm lub koom haum hu ua huab xam - ib qho kev npaj uas lub tuam txhab pib ntiav "sab nraud" server los tuav tag nrho nws cov IT thiab cov ntaub ntawv khaws cia, hu ua "huab". Ib qho ntawm qhov tsis zoo ntawm huab xam yog qhov teeb meem kev nyab xeeb thiab kev ceev ntiag tug thiab qhov tsis zoo los ntawm hackers. Tseem muaj lwm yam teeb meem xws li cov nqi siab koom nrog, txwv kev tswj hwm los ntawm niam txiv lub koom haum thiab kev vam khom lub platform. Huab suav tseem pom lwm txoj hauv kev zoo rau kev khaws cia ntev. Txawm li cas los xij, nws zoo li cov ntaub ntawv digital tau tsim tawm thoob ntiaj teb yog qhov tseeb dhau ntawm peb lub peev xwm khaws cia thiab tseem xav tau cov kev daws teeb meem zoo dua los ua kom cov ntaub ntawv deluge no thaum muab scalability coj mus rau hauv tus account yav tom ntej cia xav tau thiab.
DNA puas tuaj yeem pab hauv computer cia?
peb DNA (Deoxyribonucleic acid) tau raug suav hais tias yog qhov zoo siab lwm qhov nruab nrab rau cov ntaub ntawv khaws cia. DNA yog tus kheej-replicating cov ntaub ntawv tam sim no nyob rau hauv yuav luag tag nrho cov muaj sia nyob thiab yog dab tsi ua peb cov ntaub ntawv genetic. Ib qho khoom siv los yog hluavtaws DNA yog cov khoom siv ruaj khov uas tuaj yeem ua tau siv cov khoom lag luam muaj oligonucleotide synthesis tshuab. Qhov txiaj ntsig tseem ceeb ntawm DNA yog nws lub neej ntev li ib DNA kav 1000 npaug ntev dua silicon (silicon-chip - cov khoom siv rau lub tsev computers). Amazingly, tsuas yog ib cubic millimeter ntawm DNA tuaj yeem tuav quintillion ntawm bytes ntawm cov ntaub ntawv! DNA kuj yog ib qho khoom siv ultracompact uas yeej tsis degrades thiab tuaj yeem khaws cia rau hauv qhov chaw txias, qhuav rau ntau pua xyoo. Lub tswv yim ntawm kev siv DNA rau kev khaws cia tau nyob ib puag ncig lub sijhawm ntev rov qab mus rau xyoo 1994. Qhov laj thawj tseem ceeb yog cov qauv zoo sib xws uas cov ntaub ntawv tau muab khaws cia rau hauv lub computer thiab hauv peb. DNA - txij li ob qho tib si khaws cov ntaub ntawv nthuav dav. Lub khoos phis tawj khaws tag nrho cov ntaub ntawv raws li 0s thiab 1s thiab DNA khaws tag nrho cov ntaub ntawv ntawm lub cev muaj sia siv plaub lub hauv paus - thymine (T), guanine (G), adenine (A) thiab cytosine (C). Yog li ntawd, DNA tuaj yeem raug hu ua tus qauv khaws cia, ib yam li lub khoos phis tawj, yog tias cov hauv paus no tuaj yeem sawv cev ua 0s (bases A thiab C) thiab 1s (bases T thiab G). DNA yog tawv thiab kav ntev, qhov yooj yim xav txog yog tias peb cov caj ces caj ces - daim ntawv qhia txog tag nrho peb cov ntaub ntawv khaws cia hauv DNA - tau kis tau zoo los ntawm ib tiam mus rau lwm tus hauv kev rov ua dua. Txhua tus software thiab kho vajtse loj heev tau mob siab rau siv cov khoom siv DNA los khaws cov nyiaj ntau kom ua tiav lawv lub hom phiaj ntawm kev daws cov ntaub ntawv mus sij hawm ntev. Lub tswv yim yog thawj zaug hloov lub khoos phis tawj code 0s thiab 1s rau hauv DNA code (A, C, T, G), qhov hloov pauv DNA code yog siv los tsim cov khoom hluavtaws ntawm DNA uas tuaj yeem muab tso rau hauv txias cia. Thaum twg xav tau, DNA strands tuaj yeem raug tshem tawm los ntawm qhov txias cia thiab lawv cov ntaub ntawv txiav txim siab siv DNA sequencing tshuab thiab DNA sib lawv liag thaum kawg tau muab txhais rov qab rau binary computer hom ntawm 1s thiab 0s kom nyeem hauv lub computer.
Nws tau tshwm sim1 tias tsuas yog ob peb grams ntawm DNA tuaj yeem khaws quintillion byte ntawm cov ntaub ntawv thiab khaws cia nws nyob mus txog 2000 xyoo. Txawm li cas los xij, qhov kev nkag siab yooj yim no tau ntsib qee qhov teeb meem. Ua ntej, nws tseem kim heev thiab tseem mob qeeb los sau cov ntaub ntawv rau DNA piv txwv li kev hloov pauv ntawm 0s thiab 1s rau DNA hauv paus (A, T, C, G). Qhov thib ob, thaum cov ntaub ntawv tau "sau" rau hauv DNA, nws nyuaj rau nrhiav thiab khaws cov ntaub ntawv thiab yuav tsum muaj cov txheej txheem hu ua DNA sequencing - txheej txheem ntawm kev txiav txim kom meej ntawm cov hauv paus hauv ib DNA molecule - tom qab uas cov ntaub ntawv raug txiav rov qab rau 0s thiab 1s.
Txoj kev tshawb no tsis ntev los no2 los ntawm cov kws tshawb fawb los ntawm Microsoft Research thiab University of Washington tau ua tiav "kev nkag mus tsis tau" ntawm DNA khaws cia. Qhov "random access" yog ib qho tseem ceeb heev vim nws txhais tau hais tias cov ntaub ntawv yuav raug xa mus rau los yog los ntawm qhov chaw (feem ntau yog ib tug nco) nyob rau hauv uas txhua qhov chaw, txawm nyob qhov twg nyob rau hauv ib ntus thiab tuaj yeem nkag ncaj qha. Siv cov txheej txheem no ntawm kev nkag mus tsis tau, cov ntaub ntawv tuaj yeem muab tau los ntawm DNA khaws cia hauv kev xaiv raws li piv rau yav dhau los, thaum xws li kev rov qab yuav tsum tau ua kom tiav thiab txiav txim siab tag nrho DNA dataset los nrhiav thiab rho tawm ob peb cov ntaub ntawv uas xav tau. Qhov tseem ceeb ntawm "random access" yog nce ntxiv thaum cov ntaub ntawv nce thiab ua kom loj vim nws txo cov nyiaj sequencing uas yuav tsum tau ua. Nws yog thawj zaug puas tau nkag mus random tau pom nyob rau hauv xws li ib tug loj teev. Cov kws tshawb fawb kuj tau tsim cov txheej txheem rau kev txiav txim siab thiab kho cov ntaub ntawv zoo dua nrog kev ua siab ntev rau cov ntaub ntawv yuam kev ua rau cov txheej txheem sib txuas sai dua. Ntau tshaj 13 lab synthetic DNA oligonucleotides tau encoded nyob rau hauv txoj kev tshawb no uas yog cov ntaub ntawv ntawm 200MB loj uas muaj 35 cov ntaub ntawv (muaj video, suab, duab thiab ntawv nyeem) xws li loj ntawm 29KB mus rau 44MB. Cov ntaub ntawv no tau muab rov qab rau tus kheej yam tsis muaj qhov yuam kev. Tsis tas li ntawd, cov kws sau ntawv tau tsim cov algorithms tshiab uas muaj zog dua thiab ua yuam kev nyob rau hauv kev sau ntawv thiab nyeem cov kab ke DNA. Txoj kev tshawb no luam tawm nyob rau hauv Xwm Biotechnology nyob rau hauv ib qho kev nce qib loj uas qhia txog qhov siv tau, loj-txheej txheej rau DNA khaws cia thiab khaws cia.
DNA cia system zoo li ntxim nyiam heev vim nws muaj cov ntaub ntawv siab ceev, ruaj khov thiab yooj yim khaws tab sis nws pom tseeb tias muaj ntau yam teeb meem ua ntej nws tuaj yeem siv thoob ntiaj teb. Ob peb yam yog lub sij hawm thiab kev ua hauj lwm-intensive decoding ntawm DNA (sequencing) thiab kuj synthesis ntawm DNA. Cov txheej txheem xav tau qhov tseeb ntau dua thiab kev pab cuam dav dua. Txawm hais tias kev nce qib tau ua nyob rau hauv cheeb tsam no qhov tseeb hom uas cov ntaub ntawv yuav khaws cia rau hauv lub sijhawm ntev li DNA tseem evolve. Microsoft tau cog lus tias yuav txhim kho kev tsim cov khoom hluavtaws DNA thiab daws cov teeb meem los tsim kom muaj kev ua haujlwm tiav DNA cia qhov system los ntawm 2020.
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Qhov (s)
1. Erlich Y thiab Zielinski D 2017. DNA Fountain ua rau muaj kev ruaj khov thiab ua haujlwm zoo. Kev tshawb fawb. 355 (6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L et al. 2018. Random nkag tau hauv cov ntaub ntawv DNA loj loj. Ntuj Biotechnology. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
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