Aby mohla revoluce “big data” – velkých dat pokračovat, potřebujeme zcela přepracovat naše pevné disky. Díky evoluci už máme náznak. Pomůže nám náš metabolom.

Naše těla obsahují obrovské množství dat, přiléhavě natěsnaných uvnitř mikroskopických struktur každé buňky. Vezměte si třeba DNA: s pouhými čtyřmi písmeny jsme schopni vytvořit každý myslitelný molekulární proces, který nás udržuje při životě. Takový druh kombinační složitosti je v datových úložištích založených na počítačových čipech stále ještě neslýchaný.

DNA lze navíc zbavit vody a udržovat nedotčenou po celé věky – 500 tisíc let a déle. Není proto překvapivé, že vědci zkoumají vlastnosti DNA za účelem jejího využití k ukládání informací. Pro věhlasného syntetického biologa Dr. George Churche je vzhlížení k biologii samozřejmostí: dokonce i jednoduchá bakterie E. Coli disponuje úložnou hustotou 1019 bitů na kubický centimetr. Srozumitelně? Jediná krychle DNA o hraně 1 metr pokryje veškeré aktuální světové potřeby ukládání dat.

Co když to může být ještě lepší?

DNA je v podstatě biologický index, který lze rozvinout k vytvoření celé spousty biochemických prvků, jež jsou zodpovědné za každodenní fungování našich těl – jedná se o náš metabolom. V porovnání s DNA, která má jen čtyři “bity”, je metabolom masivní ekosystém stovek tisíců molekul. Jinými slovy jde o obrovský potenciální prostor, který můžeme naplnit informacemi dle vlastního výběru, pokud ho budeme umět využít.

V červenci 2019 poskytl tým vedený Dr. Jacobem Rosensteinem na Brownově univerzitě jeden z prvních důkazů konceptu, že DNA není jediným biohráčem na poli skladování dat. Dokonce ani tím nejvýkonnějším. Vzhledem k tomu, zápis informací do DNA a jejich následné čtení je poměrně snadné, jedná se o snadno dostupné bioúložné médium, které je v současné době na výsluní. Je však čas porozhlédnout se dál.

“Není těžké pochopit, že buňky a organismy využívají k přenosu informací malé molekuly. Může však být těžší tuto skutečnost zobecnit a kvantifikovat,” říká autor studie Dr. Eamonn Kennedy. “Chceme ukázat, jak lze pomocí metabolomu zakódovat precizní digitální informaci.”

Metabolom: seznamte se

Pokud je DNA knižním bestsellerem, pak metabolom je jeho věrnou filmovou adaptací.

Metabolom konec konců dostává instrukce od DNA. Avšak vzhledem ke komplexností počtů, struktur a rozmanitosti skýtá metabolom celý ekosystém informačních nosičů s mnohem vyšší informační hustotou, než má původní obsah. Zdrojem jeho mimořádného potenciálu k ukládání dat je různorodost molekul, které koexistují a interagují v nepředstavitelném množství kombinací.

“Teoretický limit molekulární informace (s použitím metabolomu) je o dva řády vyšší než u DNA,” vysvětluje Rosenstein ve své dřívější práci. “Jsme optimističtí v tom, že bude vyvinuto mnoho nových tříd médií molekulárního ukládání.” 

Problém samozřejmě spočívá v tom, jak přimět komplikované biologické složky k zakódování digitální informace. U DNA je to relativně snadné – není těžké namapovat systém nul a jedniček na A,T,C a G. Kde však začít u nespočtu biomolekul?

Metabolomový pevný disk

Tým začal přípravou polévek metabolitů – cukrů, aminokyselin, vitamínů a dalších malých  molekul, které běžně využíváme při trávení potravy nebo při udržování našeho těla v chodu.

Dohromady vědci použili 36 běžných chemikálií a jejich přítomnost nebo nepřítomnost zakódovali jako jedničky nebo nuly. Tým doufá, že vytvořením chemicko-digitálního mostu nakonec rozšíří záběr úložných možností na vše, co aktuálně ukládáme na křemíkové čipy. Celkový počet různých metabolitových chemikálií v určité směsi určuje počet bitů, které lze uložit. Studie se v první demoverzi soustředila na 6 nebo 12 bitů.

K preciznímu přesunu tekutých složek na ocelový disk určený k ukládání a čtení využil tým energii ultrazvukových vln (bez legrace), pomocí kterých vytlačil miniaturní množství tekutiny na určená místa. Tečku za tečkou vytvářel ultrazvukový robot disky úhledně pokryté řadami a sloupci metabolických tekutin s různými složkami.

První pokus na obrázcích vyšel

Při prvotním ověření konceptu se tým soustředil na zápis a čtení jednoduchých digitálních obrázků v jazyce metabolomu. Pro představu se jednalo o jednoduchý černobílý obrázek tvořený bloky podobně jako ve hře Minecraft. Za účelem kódování vytvořili slovník.

Například bylo stanoveno, že určitý bod na ocelovém disku představuje binární kód 0101. V praxi to znamená, že tento bod měl v tomto místě dva určité typy metabolitů. Sousedící bod odpovídal jinému binárnímu kódu se svým vlastním unikátním mixem metabolitů.

Se slovníkem v ruce pak tým na několik ocelových disků zakódoval kotvu, kozorožce – rohaté zvíře podobné jelenovi – a egyptskou kočku. Aby například “zapsal” obrázek kozorožce do metabolomu, použil tým směs šesti různých molekul, přičemž přítomnost nebo nepřítomnost každé z nich kódovala 1 nebo 0.

Celkově projekt vyprodukoval tisíce tekutých teček na několika discích, z nichž každý poskytl dostatek binárního úložného prostoru k zakódování obrázků čítajících přes 17000 pixelů, což představuje více než 100 000 bitů informací.

K vyvolání těchto dat je zapotřebí dalšího přístroje: spektrometru – vyspělé technologie, která se obvykle používá v chemii k testování přítomnosti obsažených chemikálií a jejich množství. Nakonec za použití algoritmu oddělujícího signál od šumu byl tým schopný přečíst každý 2 kb soubor, identifikovat molekuly a rekonstruovat obrázek se zhruba 99 procentní přesností. 

Molekulární hustota metabolomu

Abychom byli upřímní, 2 kb je dost málo. Jde však o první důkaz konceptu naznačeného ve studii, že malé biomolekuly mohou spolupracovat za účelem ukládání dat. Pro porovnání: Ukládání pomocí DNA zatím dosáhlo asi 214 petabajtů na gram, avšak teoretický limit je o mnoho vyšší. Díky své chemické různorodosti se může metabolom této úložné schopnosti teoreticky snadno vyrovnat s použitím knihoven malých molekul, které jsou již dostupné, říká výzkumný tým.

Jinými slovy je tento systém masivně škálovatelný. Pravdou zůstává, že navyšování různorodosti molekul za účelem zvýšení počtu bitů zároveň znesnadňuje správné čtení dat. Nicméně pokud do systému včleníme opravný kód a využijeme dál tím sofistikovanějších datových technologií pro profilování molekul – představte si třeba neurální sítě či genetické algoritmy – jsou vyhlídky celkem dobré.

Aktuální počet rozpoznaných molekul metabolomu je 100 000 – což je oproti čtyřem písmenkům DNA obrovský rozdíl. I kdyby byl stabilní a čitelný jen jejich zlomek, máme co do činění s významným nárůstem úložné kapacity.

Čtení a zápis také vylepší optimalizace. Při studii probíhal zápis dat rychlostí asi pěti bitů za sekundu a čtení zhruba dvakrát rychleji, avšak je zde “významný prostor pro zlepšení,” říkají autoři studie.

Navzdory tomu má tento systém obrovskou výrobní vadu. Vzhledem k tomu, že metabolity jsou malé chemikálie, které mohou navzájem interagovat, kódovací přesnost mohou narušit nechtěné chemické reakce. Tuto reaktivitu však lze zároveň využít jako přednost: může vědcům umožnit přepisovat data nebo je přetvářet předvídatelným způsobem. Ačkoliv je to zatím hudba budoucnosti, “napovídá to o možnostech syntetických metabolických výpočtů,” říkají autoři.

V zásadě tato studie doufá, že povzbudí lidi, aby o škále možných biologických pevných disků přemýšleli v širších souvislostech.

“Podobný výzkum je výzvou tradičnímu pohledu na možnosti molekulárních datových systémů,” říká autorka studie Dr. Brenda Rubenstein. “DNA není jedinou molekulou, kterou lze využít k ukládání a zpracování informací. Odkrýt skutečnost, že existují další možnosti s obrovským potenciálem, je vskutku vzrušující.” (zdroj: singularityhub.com)