Penyimpanan data digital DNA

Penyimpanan data digital DNA didefinisikan sebagai proses encoding dan decoding data biner ke dan dari untai DNA yang disintesis. Molekul DNA adalah cetak biru genetik untuk sel dan organisme hidup. Meskipun penyimpanan data DNA menjadi topik populer di abad ke-21, ini bukan ide modern. Asal-usulnya tanggal kembali ke 1964-65 ketika Mikhail Samoilovich Neiman, seorang fisikawan Soviet, menerbitkan 3 karyanya dalam jurnal Radiotekhika, di mana ia menulis tentang pertimbangan umum mengenai kemungkinan perekaman, penyimpanan, dan pengambilan informasi pada molekul DNA. Setelah publikasi MS Neiman pertama tentang ide-ide tentang penyimpanan DNA dan setelah mengirim ke jurnal, makalah keduanya tentang penyimpanan DNA naskah diterima oleh editor pada Januari, tanggal 8, 1964. Seperti yang ditunjukkan dalam publikasi wawancara dengan sibernetik Norbert Wiener diterbitkan di surat kabar mingguan Soviet Nedelya, di mana ia mengungkapkan ide-ide yang dekat dengan ide-ide yang diusulkan secara independen oleh MS Neiman dalam terbitannya. Tentang wawancara N. Wiener, MS Neiman menulis di ketiga artikelnya tentang penyimpanan DNA.

Sejarah

Salah satu penggunaan penyimpanan DNA paling awal terjadi pada tahun 1988 kolaborasi antara seniman Joe Davis dan peneliti dari Harvard. Sebuah gambar, disimpan dalam urutan DNA dalam E.coli, disusun dalam matriks 5 x 7 yang, setelah diterjemahkan, membentuk gambar sebuah rune Jerman kuno yang mewakili kehidupan dan Bumi perempuan. Dalam matriks, yang terkait dengan piksel gelap sementara nol berkorespondensi dengan piksel terang.
Pada 2007 sebuah perangkat dibuat di University of Arizona menggunakan molekul pengalamatan untuk menyandikan situs yang tidak cocok dalam untai DNA. Ketidakcocokan ini kemudian dapat dibaca dengan melakukan intisari restriksi, sehingga memulihkan data.
Pada tahun 2011, Gereja George, Sri Kosuri, dan Yuan Gao melakukan percobaan yang akan menyandikan buku 659 kb yang ditulis bersama oleh Gereja. Untuk melakukan ini, tim peneliti melakukan korespondensi dua-ke-satu di mana nol biner diwakili oleh adenin atau sitosin dan yang biner diwakili oleh guanin atau timin. Setelah pemeriksaan, 22 kesalahan ditemukan dalam DNA.
Pada tanggal 16 Agustus 2012, jurnal Science menerbitkan penelitian oleh George Church dan rekan-rekannya di Universitas Harvard, di mana DNA dikodekan dengan informasi digital yang mencakup rancangan HTML dari buku 53.400 kata yang ditulis oleh peneliti utama, sebelas gambar JPG dan satu JavaScript. program. Beberapa salinan untuk redundansi ditambahkan dan 5,5 petabit dapat disimpan dalam setiap milimeter kubik DNA. Para peneliti menggunakan kode sederhana di mana bit dipetakan satu-ke-satu dengan pangkalan, yang memiliki kekurangan yang mengarah ke jangka panjang dari basis yang sama, urutan yang rawan kesalahan. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa selain fungsinya yang lain, DNA juga dapat menjadi jenis media penyimpanan lain seperti hard drive dan pita magnetik.
Sistem yang ditingkatkan dilaporkan dalam jurnal Nature pada Januari 2013, dalam sebuah artikel yang dipimpin oleh para peneliti dari European Bioinformatics Institute (EBI) dan diajukan pada waktu yang hampir bersamaan dengan makalah Gereja dan rekan-rekannya. Lebih dari lima juta bit data, disimpan, diambil, dan direproduksi. Semua file DNA mereproduksi informasi antara 99,99% dan akurasi 100%. Inovasi utama dalam penelitian ini adalah penggunaan skema pengkodean koreksi kesalahan untuk memastikan tingkat kehilangan data yang sangat rendah, serta gagasan pengkodean data dalam serangkaian tumpang tindih pendek oligonukleotida yang dapat diidentifikasi melalui urutan- skema pengindeksan berbasis. Juga, urutan masing-masing untai DNA tumpang tindih sedemikian rupa sehingga setiap wilayah data diulang empat kali untuk menghindari kesalahan. Dua dari empat helai ini dibangun ke belakang, juga dengan tujuan menghilangkan kesalahan. Biaya per megabyte diperkirakan $ 12.400 untuk menyandikan data dan $ 220 untuk pengambilan. Namun, tercatat bahwa penurunan eksponensial dalam biaya pengurutan dan sintesis DNA. Jika hal ini terus berlanjut di masa depan, akan membuat teknologi ini hemat biaya untuk penyimpanan data jangka panjang dalam waktu sekitar sepuluh tahun.
Pada 2013, perangkat lunak yang disebut DNACloud dikembangkan oleh Manish K. Gupta dan rekan kerja untuk menyandikan file komputer pada representasi DNA nya. DNACloud mengimplementasikan versi efisiensi memori dari algoritma yang diusulkan oleh Goldman et al. untuk menyandikan (dan mendekode) data ke DNA (file .dnac).
Stabilitas jangka panjang data yang dikodekan dalam DNA dilaporkan pada Februari 2015, dalam sebuah artikel oleh para peneliti dari ETH Zurich. Tim menambahkan redundansi melalui kode koreksi kesalahan Reed-Solomon dan dengan merangkum DNA dalam bola kaca silika melalui kimia Sol-gel.
Pada tahun 2016 penelitian oleh Church and Technicolor Research and Innovation diterbitkan di mana, 22 MB dari urutan film terkompresi MPEG disimpan dan dipulihkan dari DNA. Pemulihan urutan ditemukan memiliki nol kesalahan.
Pada bulan Maret 2017, Yaniv Erlich dan Dina Zielinski dari Universitas Columbia dan Pusat Genom New York menerbitkan metode yang dikenal sebagai "Air Mancur DNA" yang menyimpan data pada kepadatan 215 petabyte per gram DNA. Teknik ini mendekati kapasitas penyimpanan DNA Shannon, mencapai 85% dari batas teoritis. Metode ini tidak siap untuk penggunaan skala besar, karena biayanya $ 7.000 untuk mensintesis 2 megabita data dan $ 2.000 lainnya untuk membacanya.
Penelitian yang diterbitkan oleh Eurecom dan Imperial College pada Januari 2019, menunjukkan kemampuan untuk menyimpan data terstruktur dalam DNA sintetis. Penelitian menunjukkan bagaimana menyandikan data terstruktur atau, lebih khusus, relasional dalam DNA sintetik dan juga menunjukkan bagaimana melakukan operasi pemrosesan data (mirip dengan SQL) langsung pada DNA sebagai proses kimia.