DNA 'Kaset Bantlar' Petabaytlarca Veri Saklıyor, Binlerce Yıl Dayanıyor

Plastik film, basılı DNA ve retro bir sürücü: Yeni prototip

Çin'deki bir laboratuvarda araştırmacılar, birbirinden çok farklı iki bilgi teknolojisi çağını bir araya getirdi: DNA'nın moleküler belleği ve kaset bandının mekanik kullanım kolaylığı. Ekip, kısa ve sentetik DNA dizilerini esnek bir polyester-naylon film üzerine bastı, şeridi bir kartuşa rulo yaptı ve barkodlu izleri tarayabilen, bir noktayı çözeltiye daldırabilen ve DNA'yı dizileme ve tekrar dosyalara dönüştürme için geri alabilen küçük bir sürücü inşa etti.

Sonuç, araştırmacıların “DNA tabanlı veri depolama için kompakt bir kaset bandı” olarak tanımladıkları çalışan bir kavram kanıtıdır. Deney, DNA'nın sadece tüplerde veya viyallerde saklanması yerine, uzun ve adreslenebilir bir ortamda organize edilebileceğini ve otomatik, kaset benzeri hareketlerle erişilebileceğini gösteriyor; yazarlar bu adımın, ortamın bir dosya sistemi olarak kullanımını kolaylaştırdığını belirtiyor.

Sistem dosyaları nasıl kodluyor, koruyor ve buluyor

İş akışı, diğer DNA depolama çalışmalarından tanıdık bir modeli izliyor: Dijital bir dosya, dört nükleotid "harfinin" (A, T, C ve G) dizilerine dönüştürülüyor; bu sentetik diziler, şerit üzerindeki mikroskobik, barkod işaretli bölmelere küçük damlacıklar halinde yerleştiriliyor ve koruyucu bir kabuk —kristal yapılı bir metal-organik kaplama— hassas molekülleri ihtiyaç duyulana kadar koruyor. Bir dosyayı okumak için sürücü barkodu buluyor, o bölmedeki dizileri serbest bırakmak için hafif bir kimyasal uyguluyor, bunları bir dizileyiciye gönderiyor ve geri gelen baz çağrılarını bitlere ve baytlara dönüştürüyor.

Bu mimari çeşitli pratik faydalar sağlıyor. Barkodlar, sürücünün dosyaları bir kütüphane indeksleme sistemine benzer şekilde bulmasını sağlıyor ve kristal kaplama DNA'nın kimyasal bozulmasını önleyerek araştırmacıların uzun depolama ömürleri öne sürmesine olanak tanıyor. Prototip ayrıca üzerine yazmayı ve onarımı da destekliyor: Eski dizileri çıkarmak ve yerlerine yenilerini yerleştirmek için enzimler kullanılabiliyor; ekip, sürücü içinde basit otonom geri kazanım ve yeniden yerleştirme adımlarını sergiledi.

Yoğunluk ve uzun ömürlülük: Manşet rakamlar

Rakamlar dikkat çekici. Ekip, ekstrapole edildiğinde bant kilometresi başına yüzlerce petabayta ulaşabilecek teorik bir depolama yoğunluğu bildiriyor; bu rakamlar 100 metrelik bir kartuş için onlarca petabayta karşılık geliyor. Yazarlar ve haber kaynakları, ölçeği somut bir şekilde hissettirmek için "milyarlarca şarkıyı barındırmaya yetecek kadar" gibi karşılaştırmalar kullandılar. Bu kapasite tahminleri, birçok adreslenebilir noktanın yoğun şekilde paketlenmesine ve veri kaybına karşı korunmak için her dizinin birden fazla kopyasına dayanıyor.

Koruma önemlidir çünkü DNA kimyası ortam sıcaklıklarında yavaş ama istikrarlı bir şekilde bozulur. Prototipte kullanılan zeolitik imidazolat (ZIF) veya benzeri metal-organik kafes zırhı ile ekip, oda sıcaklığında yüzyıllar mertebesinde kullanım ömürleri öngörüyor. Soğuk depolama altında —örneğin 0 °C civarında— bozulma hızı önemli ölçüde yavaşlar ve bazı haber raporları, çok soğuk koşullar altında binlerce ila on binlerce yıl mertebesinde bir korumayı işaret eden ekstrapolasyonları tanımlamıştır. Bu daha uzun rakamlar, ölçülmüş sonuçlardan ziyade model tabanlı projeksiyonlar olarak okunmalıdır: Bunlar, yazarların gerçekleştirdiği hızlandırılmış yaşlandırma ve kararlılık testlerine standart kimyasal bozunma matematiğinin uygulanmasından gelmektedir.

Prototip performansı: Kanıt ve üretim karşılaştırması

Önemli şerhler, medya için cazip olan kapasite ve ömür rakamlarını pratik gerçeklikten ayırmaktadır. Cihaz ticari bir ürün değil, bir laboratuvar gösterimidir. Ekibin deneylerinde sistem, birkaç yüz kilobayt mertebesinde mütevazı test dosyalarını yazdı ve geri aldı; her tam yazma-okuma-yeniden yazma döngüsü, esas olarak DNA'yı oluşturan ve okuyan kimyasal adımların yavaş ve maliyetli kalması nedeniyle dakikalardan saatlere kadar sürdü. Çalışmaya dair bağımsız haberler, tek bir ~156,6 KB'lık dosyayı depolayan erken bir gösterimi özetledi ve optimizasyonlardan önce tam döngülerin on dakikalarla bir saatin üzerinde sürdüğünü belirtti. Bu oranlar, prototipin verileri en iyi ihtimalle saatte kilobayt mertebesinde yazdığı anlamına gelir ki bu, herhangi bir geleneksel sabit sürücü veya bant kütüphanesinden çok daha yavaştır.

Başka bir deyişle, sistem şu anda teorik olarak yoğunluk ve dayanıklılık konusunda mükemmeldir, ancak veri aktarım hızı konusunda değil. Sürücünün mekanik parçaları —barkod tarayıcı ve bant işleme— şerit üzerinde çok hızlı arama yapabilir, ancak darboğazlar moleküler düzeydedir: Özel üretim DNA dizilerinin sentezlenmesi (yazma) ve bunların tekrar dijital bitlere dizilenmesi (okuma), silikon tabanlı depolama işlemlerinden kat kat daha yavaş ve pahalı olmaya devam etmektedir.

Bunun depolama ekosistemindeki yeri

Araştırmacılar, DNA kasetini nadiren eriştiğiniz ancak onlarca yıl veya yüzyıllar boyunca saklamak istediğiniz arşivlik "soğuk" depolama ile ara sıra okunan veya güncellenen "ılık" depolama arasında potansiyel bir köprü olarak kurguluyorlar. Sentez ve dizileme maliyetleri düşer ve hız artarsa, adreslenebilir bir DNA bandı manyetik bant kartuşlarının yanında büyük kütüphanelerde yer alabilir ve dünyanın kültürel ve bilimsel mirası için çok düşük enerjili, uzun vadeli bir ortam sunabilir. Şimdilik bu teknoloji, uzun ömürlülüğe anında erişim hızından daha fazla değer veren kurumlar için en uygun görünüyor: müzeler, ulusal arşivler ve belirli bilimsel veri setleri.

Çalışmaya dahil olmayan uzmanlar, bu fikrin pratik hale gelmesi için DNA sentezi ve dizilemesinde hızlı ilerlemenin gerekli olacağı konusunda uyarıyorlar. Buradaki temel ilerleme olan moleküler iş akışlarının otomatikleştirilmesi büyük bir adımdır, ancak temel ekonomiyi bir gecede değiştirmez. Bu nedenlerle, ekip ve dış yorumcular bu çalışmayı sabit sürücülerin veya bulut veri merkezlerinin yakın vadeli bir alternatifi olmaktan ziyade, önemli bir platform teknolojisi olarak tanımlıyorlar.

Pratik engeller ve sonraki adımlar

• Hız ve maliyet: Sentetik DNA'nın yapımı pahalı ve büyük ölçekte üretimi yavaştır. Bu durum değişene kadar, ortam yüksek hacimli günlük depolamadan ziyade arşivsel kullanıma uygun olacaktır.
• Standartlaştırma: Yaygın kullanım, bugün yapılan bir DNA kartuşunun onlarca yıl sonra okunabilmesi için üzerinde anlaşmaya varılmış formatlar ve çapraz uyumlu sürücüler gerektirecektir.
• Uzun ömürlülüğün doğrulanması: Milenyum ölçeğindeki koruma iddiaları, bozulma modellerine ve hızlandırılmış testlere dayanmaktadır; binlerce yıllık saklama konusunda emin olmak için daha uzun gerçek zamanlı deneylere ve standartlaştırılmış hızlandırılmış yaşlandırma protokollerine ihtiyaç vardır.
• Politika ve biyogüvenlik: Herhangi bir verinin DNA olarak saklanması; denetim, kaynak ve zararsız sentetik diziler ile biyolojik ajanlar arasındaki çizgi hakkında bariz yönetim soruları doğurmaktadır; bu tartışmaların teknik geliştirmeye paralel olarak gerçekleşmesi gerekecektir.

DNA kaseti projesi daha büyük bir eğilimin temsilcisidir: Mühendisler, bilgi teknolojisi sorunlarını çözmek için giderek daha fazla biyolojik çözümlere başvuruyorlar. DNA'nın doğuştan gelen yoğunluğu ve (bir kez yazılıp mühürlendikten sonra) enerji gerektirmeyen kararlılığı, onu uzun ömürlü arşivler için çekici bir aday haline getiriyor; kaset formatı ise bir gün veri muhafazası için kütüphane benzeri ekosistemlere girebilecek tanıdık, düşük güçlü bir mekanik arayüz sağlıyor.

Şimdilik bu yeni cihaz, belirgin güçlü yönleri ve belirgin sınırları olan çarpıcı bir gösteri olarak değerlendirilmelidir. Taşınabilir bir şerit üzerindeki basılı, adreslenebilir DNA'nın bulunabileceğini, okunabileceğini, değiştirilebileceğini ve yeniden mühürlenebileceğini —minyatür bir moleküler dosya sistemi— gösteriyor; ancak aynı zamanda DNA depolamasının bir laboratuvar merakı olmaktan çıkıp altyapıya dönüşmesinden önce çözülmesi gereken zorlu, hız kısıtlayıcı kimyayı da vurguluyor. Gelecek yıllar, daha hızlı sentez, daha ucuz dizileme ve sağlam standartların bu fikri insanlığın en değerli arşivlerini saklamak için pratik bir seçenek haline getirip getirmeyeceğini belirleyecektir.

Kaynaklar

• Science Advances (araştırma makalesi: "A compact cassette tape for DNA‑based data storage", DOI: 10.1126/sciadv.ady3406)
• Southern University of Science and Technology (araştırma grubu lideri: Xingyu Jiang; sorumlu kurumlar)
• Shanghai Jiao Tong University (iş birliği yapan laboratuvar)