Да отгледаш облак: Как съхранението на цифрови данни в ДНК на растения може да ни позволи да използваме горите и градините като дейта центрове

Живеем в епоха, в която се генерира безпрецедентно количество данни. А те трябва да се съхраняват. Инфраструктурата за съхранение на данни обаче създава сериозен натиск върху и без това „крехката“ екологична среда – центровете за данни представляват 4% от глобалните емисии на CO₂, което е повече от авиационната индустрия, и продължават да растат експоненциално, консумирайки огромно количество енергия. В същото време разполагаме с една от най-съвършените единици за съхранение и пренос на информация, оцеляла хилядолетия наред – ДНК молекулата. Може ли тя да се използва като data center? Каква е технологията? Какви ще са резултатите? Ще потърсим отговор на тези въпроси в днешната Инженерна история?

„Представете си свят, в който системите за данни са органични, където инфраструктурата за данни произвежда собствена енергия и можете да отглеждате център за данни в задния Ви двор. Истинските супергерои на планетата Земя са растенията – те създават своя собствена енергия, самовъзпроизвеждат се, абсорбират въглероден диоксид и ни осигуряват кислород. А освен това могат да съхраняват данни“, с тези думи обобщават дейността си от екипа на биотехнологичната организация GYOC (Grown your own cloud), която разработва проекти за съхранение на данни в растения. Но преди да разкажем за техните постижения, нека видим по-подробно каква е основата на технологията.

От двоичен код в ДНК

Съвременните компютърни системи съхраняват, комуникират и работят с двоични данни, представени като единици и нули. Тези битове информация са свързани с физически структури и сигнали. Природата също съхранява цифрова информация чрез генетичния код в клетките под формата на молекулярни полимери. В ДНК тези полимери са изградени от набор от четири малки молекули, известни като нуклеотиди, или бази. Вместо само две стойности (0 и 1), всяка базова позиция в ДНК може да приеме една от четирите стойности (A, C, G или T, представляващи химическото име на базата), така че по същество всяка база е информационният еквивалент на 2 bit.

Всяка типична човешка клетка съдържа геном, състоящ се от около 6 милиарда базови двойки двойноспирална ДНК, организирани в 23 комплекта хромозоми (3 милиарда базови двойки ДНК съответстват на хромозомите във всяка половина на комплекта). ДНК в тези хромозоми кодира общо около 1.6 GB информация на клетка. Ако се съберат всички клетки в човешкото тяло, това означава приблизително 100 ZB информация, или 10²¹ bit – количество много по-голямо от цялата информация, генерирана от човечеството някога. Някои дървесни видове обаче имат до 50 пъти по-големи геноми!

Но може би най-важната характеристика на ДНК като цифрова технология за съхранение е теоретичният потенциал за плътност на данните и следователно капацитетът за съхранение. В допълнение, тъй като говорим за молекулярна среда, този своеобразен склад за данни е триизмерен, а не двуизмерен (като диск или чип), т.е. заема много по-малко физическо пространство отколкото други среди. За да се реализира съхранение на ДНК данни, са необходими три основни физически компонента: писане на ДНК, съхранение/извличане и четене.

Тук е мястото да обърнем внимание на темпът на растеж на генерирането на цифрови данни – той се удвоява на всеки няколко години. Според някои изследвания празнината между генерирането на данни и капацитета за съхранението им започва да се отваря около 2010 г. Най-консервативните оценки показват, че до 2025 г. традиционните технологии за съхранение на данни ще могат да поемат по-малко от половината от генерираните данни. В тази връзка Semiconductor Research Corporation прогнозира, че търсенето на капацитет за съхранение на данни ще надхвърли световното предлагане на силиций с 2 – 3 пъти до 2040 г.

Така че въпросът дали са необходими нови технологии за съхранение на данни е вече реторичен.

Именно тук се намесват биотехнологиите и техният забележителен напредък. Само за няколко десетилетия разходите за секвениране (б.ред. разчитане на ДНК последователностите) на човешкия геном са спаднали от около 3 млрд. долара до под 1000 долара, което в близко бъдеще ще ги постави под разходите, свързани с достъпа до данни, архивирани на лентови носители. Технологиите за синтез на ДНК (б.ред. записване на ДНК последователности) също се подобряват, но по-бавно от секвенирането.

И така, обратно към работата на GYOC: Екипът е разработил процеси за декодиране на данни, използвайки оборудване за секвениране на ДНК, способно да чете генетичната информация на организмите и цифровите данни, съхранявани в техния геном. Както вече обяснихме, цифровите данни, независимо дали са изображение, част от текст или mp3, могат да бъдат представени като двоични битове (0 и 1). Тази последователност от нули и единици може да се „преведе“ на биологичен език – в ДНК бази (A, T, G и C) и да се представи като низ от ДНК. След това синтетичната ДНК може да бъде синтезирана, така че цифровите данни, които представлява, да се съхраняват в молекулярна форма и да бъде въведена в жив организъм, където се поддържа, заедно с естествената геномна ДНК на организма.

Data Garden

Именно по този начин е създадена и Data Garden – нов тип инфраструктура за данни, която насърчава обединението между хора, екосистеми и технологии. В рамките на инсталацията ДНК на растенията се декодира в реално време с помощта на най-новите технологии за генетично секвениране и се показва в пространството, разкривайки скрити послания. Процесът се задейства чрез въвеждане на течна проба в нанопорен секвенсер, който анализира генетичната информация, за да разкрие скрити съобщения, звуци и изображения. Инсталацията има актуализация на данните в реално време, която отразява поглъщането на нивата на CO₂.

Urban Data Forest

Urban Data Forest преосмисля града като място за съхранение на данни в растения и дървета. В проекта са разработени два типа „гора за градски данни“: „Дишащият музей“ (The Breathing Museum), който служи за архивиране на обществени и културни данни, и „Живи архиви“ (Living Archives), които представляват гори, даващи възможност на гражданите да стопанисват растения за лично съхранение на данни.

Urban Data Forest е създадена като част от Repairing the Present, EU S+T+ARTS Residency. Проектът е разработен в сътрудничество с In4Art и инженерната фирма Witteveen+Bos, подкрепяйки изследването на екологична визия за град Хага (Нидерландия) през 2050 г.

Мултидисциплинарният екип от творци, технолози и учени на GYOC включва: Моника Сейфрид (Monika Seyfried), Сайръс Кларк (Cyrus Clarke) и Джеф Нивала (Jeff Nivala). Работата им е отличена с наградата на ООН и EU Starts, а през 2022 г. е обявена за „Научен пробив на годината“ от Falling Walls. GYOC участва в големи международни форуми като WEF Davos и Световната среща на върха за климата 2019 г.

За да подготвим този материал, използвахме информация от twistbioscience.com, GYOC и др.

Източник на снимковия материал: GYOC, canva.com