DNAlarımız Geleceğin Veri Depolama Alanlarına İlham Oluyor. Bakteriyel Nanogözenekler Veri Depolamanın Geleceğini Açıyor
2020’de dünyadaki her insan saniyede yaklaşık 1,7 megabayt veri üretiyor. Sadece tek bir yılda bu 418 zetabayt veya 418 milyar bir terabayt sabit sürücü anlamına gelir.
Şu anda verileri sınırlı ömre sahip manyetik veya optik sistemlerde birler ve sıfırlar olarak saklıyoruz. Bu arada, veri merkezleri muazzam miktarda enerji tüketir ve muazzam karbon ayak izi üretir. Basitçe ifade etmek gerekirse, sürekli büyüyen veri hacmimizi saklama şeklimiz sürdürülemez.
Veri depolama olarak DNA
Ancak bir alternatif var: DNA gibi biyolojik moleküllerde veri depolamak. Doğada DNA, küçük alanlarda (hücreler, bakteriler, virüsler) büyük miktarda genetik bilgiyi kodlar, depolar ve okunabilir hale getirir ve bunu yüksek derecede güvenlik ve yeniden üretilebilirlik ile yapar.
Geleneksel veri depolama cihazlarına kıyasla DNA, daha dayanıklı ve sıkıştırılmıştır, on kat daha fazla veri tutabilir, 1000 kat daha yüksek depolama yoğunluğuna sahiptir ve bir sürücü ile aynı miktarda veriyi depolamak için 100 milyon kat daha az enerji tüketir. Ayrıca, DNA tabanlı bir veri depolama cihazı çok küçük olacaktır; bir yıllık küresel veri yalnızca dört gram DNA’da depolanabilir.
Ancak DNA ile veri depolamak, aşırı maliyetler, acı verici derecede yavaş yazma ve okuma mekanizmaları da içerir ve yanlış okumalara karşı hassastır.
Kurtarma için; Nanoporlar
Bunun bir yolu, bakterilerin genellikle onları yok etmek için diğer hücrelere darp ettiği nanopor adı verilen nano boyutlu delikler kullanmaktır. Saldıran bakteriler, hücre zarına tutunan ve içinden tüp benzeri bir kanal oluşturan “gözenek oluşturan toksinler” olarak bilinen özel proteinler kullanır.
Biyomühendislikte nanogözenekler, DNA veya RNA gibi biyomolekülleri “algılamak” için kullanılır. Molekül, nano gözeneklerden voltajla yönlendirilen bir ip gibi geçer ve farklı bileşenleri, onları tanımlamak için kullanılabilecek farklı elektrik sinyalleri (bir “iyonik imza”) üretir. Ve yüksek doğruluklarından dolayı, nanoporlar DNA kodlu bilgileri okumak için de denenmiştir.
Bununla birlikte, nanogözenekler hala düşük çözünürlüklü okumalarla sınırlıdır – nano-gözenekli sistemler veri depolamak ve okumak için kullanılacaksa gerçek bir problemdir.
Aerolizin nanopor
Nanoporların potansiyeli, EPFL’nin Yaşam Bilimleri Okulu’ndaki bilim insanlarına, Aeromonas hydrophila bakterisi tarafından üretilen gözenek oluşturan toksin aerolizinin ürettiği nano gözenekleri keşfetmeleri için ilham verdi. EPFL’nin(İsviçre’nin Lozan şehrinde bulunan federal teknik üniversite) Yaşam Bilimleri Okulu’ndan Matteo Dal Peraro liderliğindeki araştırmacılar, aerolizin nanogözeneklerin, ikili bilgilerin kodunu çözmek için kullanılabileceğini gösteriyor.
2019’da Dal Peraro’nun laboratuvarı, nanogözeneklerin proteinler gibi daha karmaşık molekülleri algılamak için kullanılabileceğini gösterdi. Science Advances’da yayınlanan bu çalışmada ekip, Alexandra Radenovic’in (EPFL Mühendislik Okulu) laboratuvarı ile güçlerini birleştirdi ve bu gözenek tarafından okunacak şekilde özel olarak tasarlanmış molekülleri tespit etmek için aerolizini uyarladı. Teknoloji bir patent olarak dosyalandı.
Dijital polimerler olarak bilinen moleküller, Jean-François Lutz’un Strasbourg’daki CNRS Enstitüsü Charles Sadron’daki laboratuvarında geliştirildi. Bu polimerler, aerolizin nanogözeneklerinden geçmek ve biraz veri olarak okunabilen bir elektrik sinyali vermek için tasarlanmış DNA nükleotidleri ve biyolojik olmayan monomerlerin bir kombinasyonudur.
Araştırmacılar, bilgi polimerlerinin sinyallerini okumak için sistematik olarak nano-gözenekleri tasarlamak için aerolizin mutantlarını kullandılar. Nano gözeneklerden geçen polimerlerin hızını benzersiz bir şekilde tanımlanabilir bir sinyal verebilecek şekilde optimize ettiler. Makalenin ilk yazarı Dr. Chan Cao, “Ancak geleneksel nano-gözenekli okumaların aksine, bu sinyal tek bit çözünürlükte ve bilgi yoğunluğundan ödün vermeden dijital okuma sağladı.” diyor.
Ekip, okuma sinyallerinin kodunu çözmek için polimerlerden 4 bitlik bilgiyi yüksek doğrulukla çözmelerine olanak tanıyan derin öğrenme kullandı. Ayrıca bu yaklaşımı, polimer karışımlarını körü körüne tanımlamak ve göreceli konsantrasyonlarını belirlemek için kullandılar.
Sistem, veri depolama için DNA kullanmaktan önemli ölçüde daha ucuzdur ve daha uzun bir dayanıklılık sunar. Ek olarak, “minyatürleştirilebilir”, yani taşınabilir veri depolama cihazlarına kolayca dahil edilebileceği anlamına gelir.
Matteo Dal Peraro, “Bu biyo-ilham platformu, veri depolama ve erişim için gerçek bir ürüne dönüştürmek için üzerinde çalıştığımız birkaç iyileştirme var.” diyor. Ancak bu çalışma, biyolojik bir nano-gözeneklerin hibrit DNA-polimer analitlerini okuyabildiğini açıkça gösteriyor. Bu; ultra yüksek yoğunluk, uzun vadeli depolama ve cihaz taşınabilirliği açısından önemli avantajlarla birlikte polimer tabanlı bellekler için yeni umut verici perspektifler açtığı için heyecanlıyız. ”
Çeviri: Simge KARA
Source: phys.org
/DNAlarımız Geleceğin Veri Depolama Alanlarına İlham Oluyor/