Lưu trữ dữ liệu bằng DNA đang gần hơn bạn tưởng rồi đấy!

Hệ thống lưu trữ dữ liệu sống đang dần được áp dụng để có thể phục vụ nhu cầu khổng lồ về thông tin.

Các nhà khoa học thành công lưu trữ 215 petabyte trong một gram DNA

Microsoft lập kỷ lục mới về lưu trữ trên DNA

Theo thống kê của công ty Domo thì cứ mỗi phút trong năm 2018, Google thực hiện 3,88 triệu lượt tìm kiếm, 4,33 triệu video trên Youtube được xem, 159.362.760 email được gửi đi, 473.000 bài viết được đăng trên Twitter và 49.000 bức ảnh được đăng tải lên Instagram. Và theo ước tính thì vào năm 2020 tới nếu giả sử dân số thế giới lúc đó là 7,8 tỷ thì mỗi người trên toàn cầu sẽ tạo ra trung bình 1,7 MB dữ liệu mỗi giây, tương đương với khoảng 418 ZB trong một năm.

Lượng dữ liệu này có thể lấp đầy 418 triệu ổ cứng 1TB. Và nếu dự đoán này trở thành hiện thực thì chỉ trong một thế kỉ tới, số lượng ổ đĩa từ và đĩa quang mà chúng ta có sẽ chẳng đủ để phục vụ loài người. Không những vậy, lượng năng lượng để duy trì một trung tâm dữ liệu là rất lớn. Nói một cách ngắn gọn thì chúng ta sắp phải đương đầu với vấn đề về lưu trữ dữ liệu đang dần trở nên nghiêm trọng hơn theo thời gian.

Song song với tính cấp bách kể trên, một giải pháp thay thế mới cho ổ đĩa cứng đang được phát triển: lưu trữ dữ liệu trên DNA. DNA là một chuỗi xoắn kéo dài gồm nhiều các nucleotide loại A, T, G, và X, nó chính là vật liệu để lưu giữ thông tin sự sống. Nhờ khả năng lưu trữ dữ liệu dưới dạng trình tự của các nucleotide, nó hoàn toàn có thể được biến thể thành một dạng mới của công nghệ thông tin. Việc đọc trình tự, tổng hợp và sao chép các DNA cũng rất dễ dàng. Không chỉ vậy, DNA cực kì ổn định, đặc điểm này có thể được chứng mình bằng bộ gen hoàn chỉnh của một loài ngựa hóa thạch đã sống cách đây 500.000 năm. Lưu trữ trên DNA cũng không đòi hỏi quá nhiều năng lượng.

Song điểm sáng lớn nhất của việc lưu trữ trên DNA chính là về khả năng lưu trữ của nó. DNA có thể sắp xếp chính xác một lượng dữ liệu khổng lồ với một độ vượt xa bất kì thiết bị điện tử nào. Ví dụ, loại vi khuẩn đơn giản Escherichia coli (viết tắt E. coli) có mật độ lưu trữ khoảng 1019bit/cm³, đây là tính toán được đăng tải vào năm 2016 trên Nature Materials của Đại học Harvard bởi George Church và các đồng nghiệp. Với mật độ lưu trữ trên, nhu cầu lưu trữ của toàn thế giới có thể được gói gọn chỉ trong một khối lập phương có kích thước 1m mỗi cạnh.

Không dừng lại ở đó, triển vọng của việc lưu trữ dữ liệu trên DNA không chỉ đơn thuần là lý thuyết. Ví dụ như vào năm 2017, nhóm của Church tại Đại học Harvard đã áp dụng công nghệ chỉnh sủa gen CRISPR để ghi lại hình ảnh bàn tay con người vào bộ gen của vi khuẩn E. coli và có thể được đọc lại với độ chính xác cao trên 90%. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Washington và Microsoft Research đã cùng nhau phát triển một hệ thống có khả năng tự động viết, lưu trữ và đọc dữ liệu được mã hóa trong DNA. Ngoài ra, một số công ty, trong đó có cả Microsoft và Twist Bioscience, cũng đang nỗ lực thúc đẩy công nghệ lưu trữ trên DNA.

Trong khi đó thì DNA cũng đang được sử dụng để quản lí dữ liệu theo một cách thức khác bởi những nhà nghiên cứu phải thường xuyên vật lộn với đống dữ liệu khổng lồ. Những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật giải trình đời mới đã cho phép hàng tỷ trình tự DNA có thể được dễ dàng đọc đồng thời với nhau. Với khả năng này, các nhà điều tra có thể sử dụng các chuỗi DNA làm mã vạch cấp độ phân tử để theo dõi những kết quả nghiên cứu. Mã vạch DNA hiện đã được sử dụng để giúp tăng đáng kể tốc độ nghiên cứu trong những lĩnh vực như kĩ thuật hóa học, khoa học vật liệu và công nghệ nano. Ví dụ như, tại Viện Công nghệ Georgia, phòng thí nghiệm James E. Dahlman đang nhanh chóng tìm ra đâu là liệu pháp gen an toàn hơn, còn tại những nơi khác, bước tiến mới này đang góp phần vào việc tìm cách chống lại hiện tượng kháng thuốc và ngăn ngừa sự di căn của ung thư.

Tuy vậy, giá thành và tốc độ hiện đang là hai trong số nhiều rào cản ngăn chúng ta tiến tới việc sử dụng DNA để lưu trữ dữ liệu điện tử. Và kể cả khi nếu DNA không thể trở thành một loại vật liệu lưu trữ phổ biến thì nó hoàn toàn có thể được sử dụng trong mục đích tái tạo thông tin ở một quy mô hoàn toàn mới và để lưu trữ, bảo tồn một số loại dữ liệu quan trọng trong một khoảng thời gian dài.

Trung ND theo Scientific Ameracan