DNA untuk Penyimpanan Data Masa Depan

Read Also

Para peneliti di Universitas Tianjin telah memelopori perpaduan biologi sintetis dan teknologi informasi untuk penyimpanan data yang lebih efisien.

Di tengah pesatnya digitalisasi, manusia menghasilkan jutaan gigabyte data setiap hari. Volume data global akan mencapai sekitar 180 zettabytes (di mana 1 ZB adalah 1012 GB) pada tahun 2025. Menemukan solusi penyimpanan yang ekonomis untuk sejumlah besar data merupakan tantangan besar.

Untuk mengatasi teka-teki, Yingjin Yuan, seorang profesor teknik biokimia di Universitas Tianjin, beralih ke asam deoksiribonukleat (DNA) dan telah merancang kromosom buatan ragi sebagai solusi potensial.

“DNA telah berevolusi untuk menyimpan sejumlah besar informasi dengan kepadatan yang sangat tinggi, dan juga sangat stabil. Kromosom manusia terbesar membawa hingga 250 juta pasangan basa DNA. Jika data dapat disimpan pada setiap pasangan basa, semua data di dunia secara teoritis dapat dimasukkan ke dalam cangkir kopi,” kata Yuan.

Ragi, mikroorganisme sel tunggal, biasanya memiliki 16 kromosom. Menggunakan teknik biologis sintetis, tim Yuan telah merancang dan mensintesis kromosom ragi ekstra dalam sel hidup. Mereka menggunakan skema pengkodean koreksi kesalahan yang cerdas menggunakan kode pemeriksaan paritas densitas rendah (LDPC) yang tersebar - metode transmisi pesan melalui saluran transmisi yang bising, dan urutan acak semu. Kemudian file digital dikodekan menjadi kata sandi, dan selanjutnya ditranskode menjadi potongan DNA sintetis. Akhirnya, potongan DNA ini dirakit menjadi kromosom buatan.

Dengan pendekatan ini, kromosom buatan dirancang untuk membawa 254 kilobase (1kb = 1.000 basa) DNA. Tim telah berhasil menyimpan dua gambar dan satu video di dalamnya, dan data yang disandikan menempati lebih dari 95% dari urutan1. “Pekerjaan kami menembus batas penyimpanan data DNA saat ini yang hanya beberapa ribu basis per genom,” kata Yuan.

 

Dapat direplikasi sendiri

Kromosom pembawa data dapat direplikasi secara stabil dalam ragi untuk beberapa pengambilan. Dengan replikasi diri DNA dalam tubuh sel, informasi digital dapat diperkuat secara eksponensial sebelum data dibacakan dengan sequencer nanopore.

Tim Yuan mendemonstrasikan stabilitas mode penyimpanan DNA ini dengan mentransmisikan kromosom pembawa data ke generasi ke-100. Transkripsi kromosom aktif sementara tidak ada protein baru yang diterjemahkan, dan pertumbuhan ragi tidak terpengaruh secara signifikan2.

“Penyimpanan data digital DNA memiliki keunggulan kepadatan penyimpanan yang tinggi, waktu penyimpanan yang lama, dan konsumsi energi yang rendah,” kata Yuan. “Potensi densitas penyimpanan DNA 10 juta kali lipat dari media tradisional seperti hard disk dan kaset. Penyimpanannya dapat bertahan lebih dari 1.000 tahun pada suhu kamar, dan dapat mengurangi konsumsi energi hingga 1.000 kali lipat dibandingkan dengan pusat data saat ini.”

Namun, penyimpanan DNA saat ini menghadapi banyak tantangan, seperti biaya tinggi untuk sintesis DNA, dan kecepatan baca dan tulis yang lambat. Beberapa terobosan teknologi kunci sangat penting, termasuk merancang kode yang beradaptasi dengan media DNA, pada jenis media DNA apa, dan bagaimana membaca data dengan lebih baik dan lebih cepat.

Tim Yuan sedang mencari untuk memecahkan tantangan sintesis genom, seperti desain komprehensif genom mikroba, sintesis DNA throughput tinggi, dan perakitan kromosom yang efisien. “Kami akan melanjutkan penelitian kami untuk mencapai sintesis DNA skala besar yang sangat murah untuk penyimpanan data hijau.”

References

Chen W, Han M and Zhou J et al., Natl Sci Rev 2021; 8: nwab028.

Zhou J., Zhang C., Wei R. et al., Sci. China Life Sci 2022; 65: 851–860.