Πολλές φορές, βιβλία ή σειρές επιστημονικής φαντασίας μας παρουσίασαν επιστημονικά επιτεύγματα που για την υπάρχουσα κοινωνική και τεχνολογική πρόοδο ήταν μη υλοποιήσιμα. Φανταστείτε τις νουβέλες του Ιουλίου Βερν που μας παρουσίαζαν αεροπορικά και διαστημικά ταξίδια τον 19 αιώνα. Η τραγική ειρωνεία είναι ότι τον επόμενο αιώνα η επιστημονική φαντασία του Ιουλίου Βερν έγινε επιστημονική πραγματικότητα. Εύλογα αντιλαμβάνεται ο καθένας ότι η επιστήμη, και κατά συνέπεια τα επιστημονικά επιτεύγματα, ακολουθεί μια προοδευτική αλλά και ανεπάντεχη πορεία. Ο άνθρωπος του 19ου αιώνα δεν θα πίστευε ότι τα αεροπλάνα και τα διαστημικά ταξίδια θα ήταν η απτή καθημερινότητα του 21ου αιώνα.
Βέβαια, ακόμα και ο άνθρωπος του 21ου αιώνα, κάποια εν δυνάμει επιτεύγματα τα αντιλαμβάνεται ως θέματα της επιστημονικής φαντασίας. Τέτοια είναι το ταξίδι πέρα του ηλιακού μας συστήματος, η πλήρης «χειραγώγηση» του γενετικού μας υλικού αλλά και η τεχνητή νοημοσύνη με χαρακτηριστικά πλήρους συνείδησης και αυτενέργειας. Οφείλουμε να επισημάνουμε πως κάθε είδους επιστημονικό επίτευγμα οφείλει να αποσκοπεί στην βελτιστοποίηση και απελεύθερωση της ανθρωπότητας και όχι στην καταστροφή και στο μανιπουλάρισμα της.
Βέβαια, για όλα αυτά τα σημερινά επιστημονικά επιτεύγματα ήταν αναγκαία και ουσιώδης η φαντασία κάποιων ανθρώπων. Η φαντασία είναι ένα έμφυτο εξελικτικό γνώρισμα που μας έδωσε το έναυσμα να αναπτύξουμε πολιτισμούς αλλά και να επιτύχουμε επιστημονικές προόδους. Ήρθε μήπως η ώρα ο καθένας μας να δραστηριοποιήσει την φαντασία του; Κάτι καλό θα βγεί πιθανόν. Σκεφτείτε το απώτερο μέλλον και τα επιτεύγματα που θα έχουν υλοποιηθεί. Κάντε εικασίες πώς θα ζεί ο άνθρωπος του μέλλοντος. Σίγουρα κάποιοι θα πουν ότι μπορεί να έχουμε μετακομίσει σε άλλους πλανήτες, κάποιοι άλλοι ότι η καθημερινότητα μας θα απαρτίζεται από μηχανικές φιγούρες με συνειδητότητα… Θα ήταν παράλογο να μην φανταστούμε ακόμα ότι τα παιδιά μας θα μπορεί να αποθηκεύουν τις φωτογραφίες τους, τα βίντεο και τα έγγραφα τους σε ειδικά τροποποιημένα μόρια γενετικού υλικού. Και όμως, αυτή η εικασία αρχίζει σιγά σιγά να υφίσταται και να θέτει τα θεμέλια της στο σύγχρονο επιστημονικό γίγνεσθαι.
Τι είναι το DNA ;
Όλοι το έχουμε ακούσει στα διάφορα μέσα μαζικής ενημέρωσης, όλοι το επικαλούμαστε για τα φαινοτυπικά γνωρίσματα που έχουμε και πολλές φορές το χρησιμοποιούμε μεταφορικά για να εξηγήσουμε προσωπικές συμπεριφορές αλλά και κοινωνικά γνωρίσματα. Βέβαια, για αρκετούς είναι γνώριμο από τη δευτεροβάθμια εκπαίδευση και για λίγους έγινε, με τις κατάλληλες σπουδές και έρευνες, το μέσο για να εξηγήσουμε την ζωή αλλά και να ομορφαίνουμε την καθημερινότητα του κάθε ανθρώπου με τις καινοτόμες τροποποιήσεις του (γονιδιακή θεραπεία, τεχνικές ανασυνδυασμού κ.λπ). Tυπικά το DNA, γνωστό ως δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, είναι το μόριο που αποτελεί σε όλους το γενετικό υλικό τόσο του ανθρώπου όσο και όλων των έμβιων όντων. Tο DNA αποτελέιται από συναθροίσματα πενταμελών δακτυλίων άνθρακα που αποτελούνται από μια βάση και μια φωσφωρική ομάδα. Οι βάσεις του DNA είναι τέσσερις. Οι δυο ανήκουν στην ομάδα των πουρινών, η Γουανίνη (G) και η Αδενίνη (Α) , ενώ οι άλλες δύο, η Θυμίνη (T) και η Κυτοσίνη (C) ανήκουν στην ομάδα των πυριμιδινών. Ουσιαστικά, το γενετικό υλικό μάς είναι ο δικός μας βιολογικός σκληρός δίσκος που εμπεριέχει όλες τις απαιτούμενες πληροφορίες για την δομή και την φυσιολογία μας. Αναλογιστείτε και προβληματιστείτε για το μέγεθος της γενετικής πληροφορίας που περιέχουν τα μόρια DNA για να συγκροτήσουν ένα τόσο πολύπλοκο ον όπως ο άνθρωπος. Η αλήθεια είναι ότι τόσο η δομή όσο και οι ιδιότητες του γενετικού μας υλικού, ακόμα και τώρα, εκπλήσσουν και συναρπάζουν τους επιστήμονες.
Το υπαρκτό πρόβλημα
Η σύγχρονη εποχή και οι ανάγκες της δημιούργησε πρόβλημα χωρητικότητας των δεδομένων. Πλέον είναι πολύ πιθανόν ότι η ανθρωπότητα θα δυσκολευτεί να βρει σκληρούς δίσκους και άλλα τεχνητά αποθηκευτικά μέσα για να αποθηκεύσει τον όγκο αλλα και το σύνολο των πληροφοριών που διακινεί. Είναι κοινά παραδεκτό ότι κάθε μέρα διακινείνται όγκος πληροφορίων που αγγίζει τo petabyte, ενώ ένας σκληρός δίσκος το πολύ να αποθηκεύσει λίγα terabyte.
Το αποθηκευτικό πλεονεκτήμα του DNA
To γενετικό μας υλικό ή αλλιώς DNA έχει ένα έμφυτο αποθηκευτικό πλεονέκτημα που ο καθένας, με ιδιαίτερη λεπτομέρεια, μπορεί να το παρατηρήσει. Ας αναρωτηθούμε για την πολυπλοκότητα των οργάνων μας, των αισθήσεών μας και των επιμέρους διεργασιών που συντελούνται. Επίσης, το DNA είναι μια υπερσυμπαγής δομή με την ικανότητα να αποθηκεύσει ένα εξωφρενικό αριθμό ψηφιακών πληροφοριών σε απειροελάχιστη -για τα τεχνολογικά δεδομένα της εποχής μας- μάζα .Εάν επιστρατεύσουμε μόνο λίγα γραμμάρια γενετικού υλικού έχουμε την δυνατότητα να αποθηκεύσουμε έναν εξωφρενικό αριθμό ψηφιακών δεδομένων της τάξης petabytes σε σύγκριση με έναν σκληρό δίσκο μεγέθους βιβλίου που διαθέτει το μέγιστο 5 terabyte αποθηκευτικού χώρου. Ακόμα, το DNA διαθέτει την δυνατότητα να κρατήσει την ψυφιακή πληροφορία ανέπαφη για περίπου 2000 χρόνια (μπορεί και περισσότερα χρόνια), εάν τοποθετηθεί σε περιβάλλον που είναι δροσερό και ξηρό. Η εικασία της μακροζωίας του γενετικού υλικού και συνάμα της «εγκλείουσας» πληροφορίας, προέκυψε από την ανεύρεση DNA σε απολιθώματα ηλικίας χιλιάδων χρόνων. Η αντιγραφική πιστότητα, η ικανότητα επανεγγραφής αλλά και η δυνατότητα ανάκτησης νέων δεδομένων είναι ακόμα τρία από τα πλεονεκτήματα του γενετικού μας υλικού. Συγκεκριμένα, το DNA, όπως και κάθε γενετικό μόριο, μπορεί να αυτοαντιγράφεται με ακρίβεια αλλά και να ενημερώνεται καθημερινά με καινούριο όγκο πληροφοριών χωρίς αλλοίωση ή καταστροφή της ψηφιακής πληροφορίας. Έτσι καθίσταται το πιο ιδανικό μέσο για αποθήκευση, σε πλήρη αντιδιαστολή με κασέτες, DVD, CD αλλά και πιο σύγχρονα αποθηκευτικά μέσα που με την πάροδο του χρόνου αλλοιώνουν ή καταστρέφουν την ψηφιακή πληροφορία.
Ο μηχανισμός της μετατροπής των ψηφιακών δεδομένων
Από το 1950 οι βιολόγοι γνώριζαν ότι η βιολογική πληροφορία ήταν ψηφιακή που κωδικοποιούνταν από τις τέσσερις βάσεις του DNA. Η αποθήκευση τόσο μεγάλου όγκου ψηφιακών δεδομένων επιτεύχθηκε χάρη σε έναν αλγόριθμο (DNA fountain), που αρχικά σχεδιάσθηκε για την μετάδοση (streaming) βίντεο σε κινητά τηλέφωνα. Ο αλγόριθμος, με την κατάλληλη τροποποίηση, μετατρέπει τα ψηφιακά δεδομένα (τα «0» και τα «1» του δυαδικού συστήματος των υπολογιστών) σε βιολογικά δεδομένα (στις τέσσερις βάσεις-νουκλεοτίδια A, G, C και Τ του μορίου του DNA). Στη συνέχεια, έκλεισαν το γενετικό υλικό μέσα σε σφαίρες πυριτίου, τις οποίες θέρμαναν στους 71 βαθμούς Κελσίου για μία εβδομάδα, το οποίο ισοδυναμεί με το να τις είχαν εκθέσει σε θερμοκρασία 10 βαθμών Κελσίου για 2.000 χρόνια. Όταν επιχείρησαν αργότερα να «διαβάσουν» τα κείμενα, διαπίστωσαν πως τα δεδομένα δεν είχαν αλλοιωθεί. Θα ήθελα να επισημάνω πως στο συγκεκριμένο άρθρο αναφέρθηκα στην επικαιροποιημένη μέθοδο αποθήκευσης που εισήγαγαν το Πανεπιστήμιο Κολούμπια και το Κέντρο Γονιδιώματος της Νέας Υόρκης.
Η εκκίνηση της προσπάθειας και η πραγμάτωση της
Η πρώτη προσπάθεια υλοποιήθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου Στάνφορντ στην Καλιφόρνια που χρησιμοποίησαν ένα συνδυασμό ενζύμων για να κωδικοποιήσουν 1 bit πληροφορίας στο γενετικό υλικό του βακτηρίου Escherichia coli. Ένα βήμα για τη χρήση του DNA ως μέσου αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων που θα αντικαταστήσει τους σκληρούς δίσκους, οι οποίοι έχουν μειωμένη χωρητικότητα και περιορισμένη αντοχή στον χρόνο, έκαναν επιστήμονες από το Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Ζυρίχη.
Οι επιστήμονες απέδειξαν πως, κωδικοποιώντας ψηφιακές πληροφορίες σε αλληλουχίες των τεσσάρων νουκλεοτιδίων του γενετικού κώδικα, οι πληροφορίες αυτές θα μπορούν να «διαβασθούν» ακόμη και μετά από 2.000 χρόνια. Aυτό το επίτευγμα παρουσιάστηκε στο ετήσιο συνέδριο της Αμερικάνικης Ένωσης. Η νέα μέθοδός τούς επέτρεψε για πρώτη φορά να συμπιέσουν (σε ένα master file) και μετά να αποθηκεύσουν στο μόριο της ζωής έξι ψηφιακά αρχεία: ένα λειτουργικό σύστημα υπολογιστή, μια σύντομη γαλλική ταινία του 1895, μία δωροκάρτα Amazon αξίας 50 δολαρίων, έναν ιό υπολογιστή, μία πλάκα Pioneer και μια μελέτη του 1948 από τον «πατέρα» της θεωρίας της πληροφορίας Κλοντ Σάνον. Η προσπάθεια αυτή συνεχίστηκε και τα επόμενα χρόνια. Οι ερευνητές κατάφεραν να ξεπεράσουν τις προκλήσεις και τα διλλήματα τους. Εν έτει 2017, οι επιστήμονες της Σχολής Μηχανικής & Εφαρμοσμένων Επιστημών του Πανεπιστημίου Κολούμπια και του Κέντρου Γονιδιωματικής της Νέας Υόρκης, με επικεφαλής τον καθηγητή επιστήμης των υπολογιστών Γιάνιβ Έρλιχ εισήγαγαν ένα τρόπο αποθήκευσης δεδομένων. Η νέα τεχνική αποθήκευσης «πακετάρει» 215 petabytes (215 εκατομμύρια gigabytes) δεδομένων σε ένα μόνο γραμμάριο DNA και κατά μέσο όρο 1,6 bits σε κάθε βάση του DNA, 60% περισσότερα δεδομένα από κάθε προηγούμενη προσπάθεια, πράγμα που αποτελεί νέο παγκόσμιο ρεκόρ. «Πιστεύουμε ότι πρόκειται για τη συσκευή με την μεγαλύτερη πυκνότητα αποθήκευσης δεδομένων που έχει ποτέ δημιουργηθεί», ανέφερε ο Έρλιχ.
Συμπερασματικά
Όπως κάθε καινοτόμα επιστημονική μέθοδος, έτσι και ο νέος τύπος σκληρού δίσκου που εισήγαγε το αποθηκευτικό πλεονέκτημα του DNA είναι πολυ ακριβός προς τος παρόν και ίσως να παραμείνει στην ίδια τιμή για πολλά χρόνια μέχρι να αντιμετωπιστούν κάποια άλλα προβλήματα όπως η αργοπορία στην διαδικασία μετατροπής και ανάκτησης των δεδομένων. Όλη η διαδικασία κόστισε στους ερευνητες 9000 δολάρια για να συνθέσουν 2 mb πληροφορίας και για να την διαβάσουν. Αυτο στην ουσία σήμαινει πως η νέα μέθοδος αποθήκευσης δεν διατίθεται στο ευρύ κοινό ακόμα. Μην πτοούμαστε γιατί ένα όμορφο και ανεπάντεχο μέλλον απλώνεται ενώπιον μας. Ας το αξιοποιήσουμε.
Για περαιτέρω πληροφορίες :
http://www.sciencemag.org/news/2017/03/dna-could-store-all-worlds-data-one-room
http://science.sciencemag.org/content/355/6328/950
http://www.pnas.org/content/109/23/8884.abstract
