Cyborg
Cyborg #24 - 06/2022

#24 - 06/2022

Το σώμα ως datacenter: αποθήκευση και επεξεργασία δεδομένων στο DNA

Σύμφωνα με τους ειδικούς έχουμε ένα σοβαρό πρόβλημα, που θα πρέπει να αντιμετωπιστεί σύντομα: ο όγκος των δεδομένων (data) αυξάνεται συνεχώς, σε σημείο που οι υποδομές για την μαζική επεξεργασία και αποθήκευσή τους δεν επαρκούν. Μιλάνε για megabytes με πολλά μηδενικά, τα οποία πολλαπλασιάζονται. Έτσι, οι επεξεργαστές με το παραδοσιακό ηλεκτρονικό κύκλωμα από πυρίτιο, έχουν φτάσει στα όριά τους όσον αφορά την σμίκρυνση, η οποία προσφέρει αναλογικά μεγαλύτερη επεξεργαστική ισχύ. Οι σκληροί δίσκοι, οι μαγνητικές ταινίες και τα CD/DVD αγγίζουν επίσης τα όριά τους σε πυκνότητα αποθήκευσης, ενώ φθείρονται μεσο-μακροπρόθεσμα. Και τα κέντρα δεδομένων (datacenter) ως «φάρμες» μαζικής αποθήκευσης και επεξεργασίας καταναλώνουν πολλή ενέργεια.

Ανάμεσα στις διάφορες λύσεις – πχ. οι κβαντικοί υπολογιστές, η αποθήκευση σε γυαλί, διαμάντια ή άλλα χημικά στοιχεία – αυτή που φαίνεται να ξεχωρίζει είναι η χρήση του γενετικού υλικού που, σύμφωνα με τους ειδικούς, αποτελεί τον «κώδικα της ζωής»: το DNA. Και, αφού αποτελεί «κώδικα», γιατί να μην το βάλουμε να κάνει την δουλειά που του αντιστοιχεί; Δηλαδή να αποθηκεύει και να επεξεργάζεται data. Τα πλεονεκτήματα είναι «ασύγκριτα»: κάνει παράλληλη επεξεργασία πιο γρήγορα και από τον καλύτερο υπερ-υπολογιστή, αποθηκεύει με τέτοια πυκνότητα που τα δεδομένα των datacenter χωράνε σε μερικά ml DNA και καταναλώνει ελάχιστη έως μηδενική ενέργεια.

Οι εφαρμογές για τις οποίες προορίζονται αυτές οι νέες τεχνικές, αν και μοιάζουν αντίστοιχες με τις εφαρμογές των παραδοσιακών υπολογιστών, έχουν μεγαλύτερο εύρος και συχνά διαφορετικό πεδίο. Για παράδειγμα, η χρήση του DNA ως επεξεργαστή κλασσικών προβλημάτων των υπολογιστών είναι περιορισμένη σε ορισμένα δυσεπίλυτα προβλήματα που χρειάζονται παράλληλους υπολογισμούς. Περισσότερο επικεντρώνεται στην επεξεργασία και τους υπολογισμούς μέσα σε βιολογικά συστήματα, εκεί που δεν μπορεί να φτάσει το ηλεκτρονικό κύκλωμα – ή και αν φτάσει, δεν θα κάνει τόσο καλή δουλειά. Αντίστοιχα, η χρήση του DNA ως αποθηκευτικού χώρου δεδομένων, ενώ παίρνει τον δρόμο – και εμπορικά πλέον – της αξιοποίησης συνθετικού DNA που παράγεται σε εργαστήρια και αποθηκεύεται σε μπουκαλάκια, προορίζεται και δοκιμάζεται παράλληλα και για την αξιοποίηση του γενετικού υλικού σε ζωντανούς οργανισμούς.

Αν και μέχρι στιγμής οι εφαρμογές των DNA υπολογιστών σε ζωντανούς οργανισμούς είναι ακόμα στο επίπεδο των εργαστηριακών δοκιμών, δεν μπορούμε να είμαστε σίγουροι για το πόσο γρήγορα μπορούν να εξελιχθούν. Όμως, από την μια η ταχύτητα της «τεχνολογικής πρόοδου» και από την άλλη το πρόσφατο παράδειγμα της μαζικής επιβολής πειραματικών τεχνολογιών γενετικής μηχανικής με την πρόφαση της έκτακτης ανάγκης, μας έχει κάνει ακόμα περισσότερο καχύποπτους για τις δυνατότητες και τις προθέσεις των αφεντικών. Οι ειδικοί μιλάνε για ένα βάθος 10 ή 20 χρόνων, για να μπουν σε πρακτική εφαρμογή. Και αν ακούγονται πολλά – ή και υπερβολικά - ίσως βοηθάει να θυμηθούμε την κατάσταση πριν 20 χρόνια, τότε που το Ίντερνετ ήταν ελάχιστες στατικές ιστοσελίδες με χοντροκομμένα γραφικά και όχι Μετασύμπαν· τότε που η γενετική μηχανική ως ιατρική ήταν «μακρινό όνειρο» των βιοτεχνολόγων και όχι σωτήρια «εμβόλια».
Στην περίπτωση του συνθετικού DNA ως «σκληρού δίσκου», η κατάσταση είναι αρκετά διαφορετική, καθώς έχει μπει ήδη σε εμπορική εφαρμογή και αναμένεται να «εκτοξευτεί» στο πολύ άμεσο μέλλον. Σύμφωνα με τις προβλέψεις της αγοράς [1DNA Digital Data Storage Market Forecast to 2028] «η αγορά της DNA αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων αναμένεται να αυξηθεί από τα 57,81 εκ. δολάρια το 2021 σε 1.761,49 εκ. δολάρια μέχρι το 2028. Εκτιμάται ότι θα αυξηθεί με ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 61,29% κατά την περίοδο 2021-2028. Τα προϊόντα DNA αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων μπορούν να αλλάξουν τη βιολογική έρευνα και να επηρεάσουν σημαντικά την ανθρώπινη υγεία, την ασφάλεια των τροφίμων και την περιβαλλοντική βιωσιμότητα, καθώς είναι ακριβή, σχετικά φθηνά, εύχρηστα και εξαιρετικά ισχυρά».

Οι «παίχτες» που έχουν μπει (και) σε αυτό το «παιχνίδι» είναι από εταιρίες start-up, εταιρίες με πιο βαρύ βιογραφικό, κρατικούς και διεθνής οργανισμούς υγείας και στρατιωτικούς «βραχίωνες». Η κλασική συνταγή δηλαδή, που είναι απαραίτητη για κάθε επιστημονική πρόοδο....Το link της παραπάνω έρευνας έχει μια λίστα των εταιρειών αυτών και θα σας προτείναμε να δείτε και τα αντίστοιχα site τους, για να πάρετε μια γεύση των εξελίξεων.
Επίσης, ως «πρωτογενείς και δευτερογενείς πηγές» της συγκεκριμένης έρευνας αναφέρονται: ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (WHO), το Κέντρο Ελέγχου και Πρόληψης Νοσημάτων (CDC), η Εθνική Υπηρεσία Ψηφιακής Υγείας (ANHD) και η Εθνική Στρατηγική Υγείας (NHS). Άρα μην ανησυχείτε· για το καλό της υγείας μας θα είναι...

Δεν θα επεκταθούμε στους προβληματισμούς που προκύπτουν από όλα αυτά τώρα. Για την ώρα θα παρουσιάσουμε τις γνώμες των ειδικών αντιγράφοντας από άρθρα και δημοσιεύσεις καθεστωτικών και «έγκυρων» μέσων, φτιάχνοντας μια συλλογή κειμένων που ιχνηλατεί ενδεικτικά την πορεία αυτού του πεδίου της γενετικής μηχανικής, τις τελευταίες δύο δεκαετίες.

Cyborg #24

Μια πρόσφατη έρευνα (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31819259/) παρουσίασε την εφαρμογή της DNA αποθήκευσης σε ένα 3D-εκτυπωμένο κουνέλι (πλαστικό κουνέλι – μην γίνει καμιά παρεξήγηση). Το ενσωματωμένο συνθετικό DNA περιείχε τις πληροφορίες για την 3D εκτύπωση αυτού του κουνελιού, οπότε αν έκοβε κανείς κάποιο κομματάκι (από το κουνέλι) και το ανέλυε σε DNA αναλυτή, θα μπορούσε να 3D-εκτυπώσει ακριβώς το ίδιο κουνέλι. Η αποθήκευση πληροφοριών σε συνθετικό (ή και όχι) DNA, ενσωματωμένο σε αντικείμενα, φυτά και λοιπά υλικά, αναφέρεται συνοπτικά ως DNA of Things (DoT), το οποίο «θα μπορούσε να εφαρμοστεί για την αποθήκευση ηλεκτρονικών αρχείων υγείας σε ιατρικά εμφυτεύματα, για την απόκρυψη δεδομένων σε καθημερινά αντικείμενα και για την κατασκευή αντικειμένων που περιέχουν το δικό τους αποτύπωμα».

DNA Computing

Ο Leonard Adleman ζητά συγγνώμη. Σε μια ανακοίνωση που δημοσιεύει για να αποκρούσει τους δημοσιογράφους που ζητούν συνεντεύξεις, ο επιστήμονας υπολογιστών του πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνια και παγκοσμίου φήμης κρυπτογράφος που εφηύρε τον τομέα των DNA υπολογιστών ομολογεί ότι «οι DNA υπολογιστές είναι απίθανο να γίνουν αυτόνομοι ανταγωνιστές των ηλεκτρονικών υπολογιστών». Συνεχίζει, κάπως απολογητικά: «Απλώς δεν μπορούμε, αυτή τη στιγμή, να ελέγξουμε τα μόρια με την επιδεξιότητα που ελέγχουν τα ηλεκτρόνια οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί και οι φυσικοί».

Ήταν το 1994 που ο Adleman χρησιμοποίησε για πρώτη φορά το DNA, το μόριο από το οποίο αποτελούνται τα γονίδιά μας, για να λύσει μια απλή εκδοχή του προβλήματος του «ταξιδιώτη πωλητή». Σε αυτό το κλασικό αίνιγμα, ο στόχος είναι να βρεθεί η πιο αποτελεσματική διαδρομή μέσα από πολλές πόλεις και δεδομένου ότι υπάρχουν αρκετές πόλεις, το αίνιγμα μπορεί να ζορίσει ακόμη και έναν υπερυπολογιστή. Ο Adleman έδειξε ότι τα δισεκατομμύρια μόρια σε μια σταγόνα DNA περιείχαν ακατέργαστη υπολογιστική ισχύ που θα μπορούσε - ίσως θα μπορούσε - να ξεπεράσει αυτή του πυρίτιου. Αλλά από τότε, οι επιστήμονες έχουν αντιμετωπίσει σκληρά πρακτικά και θεωρητικά εμπόδια. Όπως έχουν συνειδητοποιήσει ο Adleman και άλλοι στον τομέα, μπορεί να μην υπάρξει ποτέ υπολογιστής κατασκευασμένος από DNA που να ανταγωνίζεται άμεσα τη σημερινή μικροηλεκτρονική που βασίζεται σε πυρίτιο.

Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι τα παράτησαν. Αντιθέτως. Αν και οι επιστήμονες υπολογιστών δεν έχουν βρει μια σαφή διαδρομή από τον δοκιμαστικό σωλήνα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή, αυτό που βρήκαν τους εκπλήσσει και τους εμπνέει. Ψηφιακή μνήμη σε μορφή DNA και πρωτεϊνών. Εξαιρετικά αποτελεσματικές μηχανές επεξεργασίας που περιηγούνται μέσα στο κύτταρο, κόβοντας και επικολλώντας μοριακά δεδομένα στο υλικό της ζωής. Επιπλέον, η φύση συσκευάζει όλο αυτόν τον μοριακό εξοπλισμό σε ένα βακτήριο όχι πολύ μεγαλύτερο από ένα τρανζίστορ. Με τα μάτια των επιστημόνων υπολογιστών, η εξέλιξη έχει δημιουργήσει τους μικρότερους, πιο αποτελεσματικούς υπολογιστές στον κόσμο.

Όπως το βλέπει τώρα ο Adleman, η DNA υπολογιστική είναι ένας τομέας που αφορά λιγότερο το να νικήσει το πυρίτιο και περισσότερο τους εκπληκτικούς νέους συνδυασμούς βιολογίας και επιστήμης υπολογιστών που πιέζουν τα όρια και στα δύο πεδία - μερικές φορές σε απροσδόκητες κατευθύνσεις. Οι επιστήμονες εξακολουθούν να εργάζονται σκληρά για νέους τρόπους να εκμεταλλευτούν τις εκπληκτικές ικανότητες του DNA να επεξεργάζεται αριθμούς για εξειδικευμένους τύπους εφαρμογών, όπως η κρυπτογράφηση. Αλλά πέρα από αυτό, η έμφυτη νοημοσύνη που είναι ενσωματωμένη στα μόρια του DNA θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατασκευή μικροσκοπικών, πολύπλοκων δομών· στην ουσία χρησιμοποιώντας τη λογική του υπολογιστή όχι για να υπολογίσει αριθμούς αλλά για να χτίσει πράγματα.

DNA Computing - DNA-based PCs? Doubtful. But DNA might do some computing-while assembling nanostructures.1/5/2000
https://www.technologyreview.com/2000/05/01/236306/dna-computing/

[...]

...η συνέχεια στο έντυπο τεύχος του Cyborg.
[ σημεία διακίνησης ]

Wintermute

Σημείωση

1 - DNA Digital Data Storage Market Forecast to 2028
https://www.researchandmarkets.com/reports/5557873
[ επιστροφή]

κορυφή