Can plastic start a a new era in data archiving?
cytuj
pobierz pliki
RIS BIB ENDNOTEChoose format
RIS BIB ENDNOTEPublication date: 14.11.2022
Archeion, 2022, 123, pp. 86 - 110
https://doi.org/10.4467/26581264ARC.22.014.16667Authors
Czy plastik może rozpocząć nową erę w archiwizacji danych?
Wraz z szybkim rozwojem technologii informatycznych wiele aspektów naszego życia przechodzi cyfrową transformację. Z roku na rok w sieci pojawia się coraz więcej użytkowników, a ciągle udoskonalana sztuczna inteligencja zyskuje na popularności, co prowadzi do wzrostu produkcji informacji. In formacje te przechowywane są głównie w centrach danych, które – przy nieustającym napływie nowych treści – są zmuszone powiększać swoją powierzchnię. Łączy się to z coraz większymi kosztami utrzymania i zapotrzebowaniem na energię. W 2021 r. zużycie energii elektrycznej przez centra danych wyniosło 220–320 TWh, co odpowiada około 0.9–1.3% globalnego zapotrzebowania. Bazy danych wymagające ciągłego dostarczania energii są czynnikiem generującym około 1% całkowitej emisji dwutlenku węgla. Ponadto raportowano już, że przy rosnącym wykładniczo zapotrzebowaniu, za 10 lat ilość dostępnego krzemu klasy mikroprocesorowej nie będzie wystarczająca do przechowywania wszystkich danych. Dlatego naukowcy poszukują alternatyw dla obecnych nośników danych i opracowują nowe technologie z wykorzystaniem cząsteczek chemicznych, a w ostatnim czasie plastiku. W artykule przedstawione zostały przykłady rozwijających się technologii przechowywania danych cyfrowych w polimerach. Omówiono polimery jako nośniki danych i porównano do obecnie stosowanych rozwiązań. Przedyskutowano także, czy plastik może stać się przyszłym materiałem do archiwizacji informacji.
Alberts B., Johnson A., Lewis J. i in., Molecular Biology of the Cell, 4th edition, Nowy Jork 2002.
Al Ouahabi A., Amalian J.A., Charles L., Lutz J.F., Mass spectrometry sequencing of long digital polymers facilitated by programmed inter-byte fragmentation, „Nature Communications” 2017, t. 8, s. 967, DOI: 10.1038/s41467-017-01104-3.
Al Ouahabi A., Kotera M., Charles L., Lutz J.F., Synthesis of Monodisperse Sequence-Coded Polymers with Chain Lengths above DP100, „ACS Macro Letters” 2015, t. 4, s. 1077–1080, DOI: 10.1021/acsmacrolett.5b00606.
Andrieux D., Gaspard P., Nonequilibrium generation of information in copolymerization processes, „Proceedings of the National Academy of Sciences” 2008, t. 105, s. 9516–9521, DOI: 10.1073/pnas.0802049105.
Baoutina A., Bhat S., Partis L., Emslie K.R., Storage Stability of Solutions of DNA Standards, „Analytical Chemistry” 2019, t. 91, s. 12268–12274, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b02334.
Bonnet J. i in., Chain and conformation stability of solid-state DNA: implications for room temperature storage, „Nucleic Acids Research” 2010, t. 38, s. 1531–1546, DOI: 10.1093/nar/gkp1060.
Bonnet J., Subsoontorn P., Endy D., Rewritable digital data storage in live cells via engineered control of recombination directionality, „Proceedings of the National Academy of Sciences” 2012, t. 109, s. 8884–8889, DOI: 10.1073/pnas.1202344109.
Boukhet M., König N.F., Al Ouahabi A., Baaken G., Lutz J.F., Behrends J.C., Translocation of Precision Polymers through Biological Nanopores, „Macromolecular Rapid Communications” 2017, t. 38, s. 1700680, DOI: 10.1002/marc.201700680.
Boukis A.C., Reiter K., Frölich M., Hofheinz D., Meier M.A.R., Multicomponent reactions provide key molecules for secret communication, „Nature Communications” 2018, t. 9, s. 1439, DOI: 10.1038/s41467-018-03784-x.
Bowden R. i in., Sequencing of human genomes with nanopore technology, „Nature Communications” 2019, t. 10, s. 1–9, DOI: 10.1038/s41467-019-09637-5.
Burel A., Carapito C., Lutz J.F., Charles L., MS-DECODER: Milliseconds Sequencing of Coded Polymers, „Macromolecules” 2017, t. 50, s. 8290–8296, DOI: 10.1021/acs.macromol.7b01737.
Cafferty B.J., Ten A.S., Fink M.J., Morey S., Preston D.J., Mrksich M., Whitesides G.M., Storage of Information Using Small Organic Molecules, „ACS Central Science” 2019, t. 5, s. 911–916, DOI: 10.1021/acscentsci.9b00210.
Cao C., Krapp L.F., Al Ouahabi A., König N.F., Cirauqui N., Radenovic A., Lutz J.F., Peraro M.D., Aerolysin nanopores decode digital information stored in tailored macromolecular analytes, „Science Advances” 2020, t. 6, DOI: 10.1126/sciadv.abc2661.
Chamas A., Moon H., Zheng J., Qiu Y., Tabassum T., Jang J.H., Abu-Omar M., Scott S.L., Suh S., Degradation Rates of Plastics in the Environment, „ACS Sustainable Chemistry & Engineering” 2020, t. 8, s. 3494–3511, DOI: 10.1021/acssuschemeng.9b06635.
Charles L., Cavallo G., Monnier V., Oswald L., Szweda R., Lutz J.F., MS/MS-Assisted Design of Sequence-Controlled Synthetic Polymers for Improved Reading of Encoded Information, „Journal of the American Society for Mass Spectrometry” 2017, t. 28, s. 1149–1159, DOI: 10.1007/s13361-016-1543-5.
Charles L., Laure C., Lutz J.F., Roy R.K., MS/MS Sequencing of Digitally Encoded Poly(alkoxyamine amide)s, „Macromolecules” 2015, t. 48, s. 4319–4328, DOI: 10.1021/acs.macromol.5b01051.
Choi Y., Ryu T., Lee A.C. i in., High information capacity DNA-based data storage with augmented encoding characters using degenerate bases, „Scientific Reports” 2019, t. 9, s. 6582, DOI: 10.1038/s41598-019-43105-w.
Church G.M., Gao Y., Kosuri S., Next-Generation Digital Information Storage in DNA, „Science” 2012, t. 337, s. 1628, DOI: 10.1126/science.1226355.
Colquhoun H.M., Lutz J.F., Information-containing macromolecules, „Nature Chemistry” 2014, t. 6, s. 455–456, DOI: 10.1038/nchem.1958.
Cooper G.M., The Cell: A Molecular Approach, 2nd edition, Sunderland (MA) 2000.
Dahlhauser S.D., Wight C.D., Moor S.R., Scanga R.A., Ngo P., York J.T., Vera M.S., Blake K.J., Riddington I.M., Reuther J.F., Anslyn E.V., Molecular Encryption and Steganography Using Mixtures of Simultaneously Sequenced, Sequence-Defined Oligourethanes, „ACS Central Science” 2022, t. 8, s. 1125–1133, DOI: 10.1021/acscentsci.2c00460.
Dhar L., Molecular Storage, Data Writ Small, „ACS Central Science” 2019, t. 5, 753−754, DOI: 10.1021/acscentsci.9b00439.
Extance A., How DNA could store all the world’s data, „Nature” 2016, t. 537, s. 22–24, DOI: 10.1038/537022a.
Goldman N. i in., Towards practical, high-capacity, low-maintenance information storage in synthesized DNA, „Nature” 2013, t. 494, s. 77–80, DOI: 10.1038/nature11875.
Hao Y., Li Q., Fan C., Wang F., Data Storage Based on DNA, „Small Structures” 2021, t. 2, s. 2000046, DOI: 10.1002/sstr.202000046.
Holloway J.O., van Lijsebetten F., Badi N., Houck H.A., du Prez F.E., From Sequence‐Defined Macromolecules to Macromolecular Pin Codes, „Advanced Science” 2020, t. 7, s. 1903698, DOI: 10.1002/advs.201903698.
Holloway J.O., Mertens C., du Prez F.E., Badi N., Automated Synthesis Protocol of Sequence-Defined Oligo-Urethane-Amides Using Thiolactone Chemistry, „Macromolecular Rapid Communications” 2019, t. 40, s. 1800685, DOI: 10.1002/marc.201800685.
Ivanova N.V., Kuzmina M.L., Protocols for dry DNA storage and shipment at room temperature, „Molecular Ecology Resources” 2013, t. 13, s. 890–898, DOI: 10.1111/1755-0998.12134.
Jones N., How to stop data centres from gobbling up the world’s electricity, „Nature” 2018, t. 561, s. 163–166, DOI: 10.1038/d41586-018-06610-y.
Karamessini D. i in., Abiotic Sequence‐Coded Oligomers as Efficient In Vivo Taggants for the Identification of Implanted Materials, „Angewandte Chemie International Edition” 2018, t. 57, s. 10574–10578, DOI: 10.1002/anie.201804895.
Karamessini D., Petit B.E., Bouquey M., Charles L., Lutz J.F., Identification-Tagging of Methacrylate-Based Intraocular Implants Using Sequence Defined Polyurethane Barcodes, „Advanced Functional Materials” 2017, t. 27, s. 1604595, DOI: 10.1002/adfm.201604595.
Karamessini D., Poyer S., Charles L., Lutz J.F., 2D Sequence-Coded Oligourethane Barcodes for Plastic Materials Labeling, „Macromolecular Rapid Communications” 2017, t. 38, s. 1700426, DOI: 10.1002/marc.201700426.
König N.F., Al Ouahabi A., Oswald L., Szweda R., Charles L., Lutz J.F., Photo-editable macromolecular information, „Nature Communications” 2019, t. 10, s. 3774, DOI: 10.1038/s41467-019-11566-2.
Langmead B., Salzberg S.L., Fast gapped-read alignment with Bowtie 2, „Nature Methods” 2012, t. 9, s. 357–359, DOI: 10.1038/nmeth.1923.
Laurent E., Amalian J.A., Parmentier M., Oswald L., Al Ouahabi A., Dufour F., Launay K., Clément J.L., Gigmes D., Delsuc M.A., Charles L., Lutz J.F., High-Capacity Digital Polymers: Storing Images in Single Molecules, „Macromolecules” 2020, t. 53, s. 4022–4029, DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00666.
Laurent E., Szweda R., Lutz J.F., Synthetic Polymerswith Finely Regulated Monomer Sequences: Properties and Emerging Applications, [w:] Macromolecular Engineering, red. N. Hadjichristidis, Y. Gnanou, K. Matyjaszewski i M. Muthukumar, bm. 2022, s. 1–34, DOI: 10.1002/9783527815562.mme0041.
Lee J.M., Kwon J., Lee S.J., Jang H., Kim D.G., Song J., Kim K.T., Semiautomated synthesis of sequence-defined polymers for information storage, „Science Advances” 2022, t. 8, s. eabl8614, DOI: 10.1126/sciadv.abl8614.
Lutz J.F., Coding Macromolecules: Inputting Information in Polymers Using Monomer-Based Alphabets, „Macromolecules” 2015, t. 48, s. 4759–4767, DOI: 10.1021/acs.macromol.5b00890.
Lutz J.F., Ouchi M., Liu D.R., Sawamoto M., Sequence-Controlled Polymers, „Science” 2013, t. 341, s. 1238149, DOI: 10.1126/science.1238149.
Martens S., Landuyt A., Espeel P., Devreese B., Dawyndt P., Du Prez F., Multifunctional sequence- defined macromolecules for chemical data storage, „Nature Communications” 2018, t. 9, s. 4451, DOI: 10.1038/s41467-018-06926-3.
Masanet E., Shehabi A., Lei N., Smith S., Koomey J., Recalibrating global data center energy-use estimates, „Science” 2020, t. 367, s. 984–986, DOI: 10.1126/science.aba3758.
Matange K., Tuck J.M., Keung A.J., DNA stability: a central design consideration for DNA data storage systems, „Nature Communications” 2021, t. 12, s. 1358, DOI: 10.1038/s41467-021-21587-5.
Mayer C., McInroy G.R., Murat P., van Delft P., Balasubramanian S., An Epigenetics‐Inspired DNA‐ Based Data Storage System, „Angewandte Chemie” 2016, t. 128, s. 11310–11314, DOI: 10.1002/anie.201605531.
Meiser L.C., Nguyen B.H., Chen Y.J., Nivala J., Strauss K., Ceze L., Grasset R.N., Synthetic DNA applications in information technology, „Nature Communications” 2022, t. 13, 352, DOI: 10.1038/s41467-021-27846-9.
Merrifield R.B., Solid Phase Peptide Synthesis. I. The Synthesis of a Tetrapeptide, „Journal of the American Chemical Society” 1963, t. 85, s. 2149–2154, DOI: 10.1021/ja00897a025.
Mertens C., Soete M., Ślęczkowski M.L., Palmans A.R.A., Meijer E.W., Badi N., Du Prez F.E., Stereocontrolled, multi-functional sequence-defined oligomers through automated synthesis, „Polymer Chemistry” 2020, t. 11, s. 4271–4280, DOI: 10.1039/d0py00645a.
Mutlu H., Lutz J.F., Reading Polymers: Sequencing of Natural and Synthetic Macromolecules, „Angewandte Chemie International Edition” 2014, t. 53, s. 13010–13019, DOI: 10.1002/anie.201406766.
Nanjan P., Porel M., Sequence-defined non-natural polymers: synthesis and applications, „Polymer Chemistry” 2019, t. 10, s. 5406–5424, DOI: 10.1039/C9PY00886A.
Organick L. i in., Probing the physical limits of reliable DNA data retrieval, „Nature Communications” 2020, t. 11, s. 616, DOI: 10.1038/s41467-020-14319-8.
Pervez M.T., Hasnain M.J., Abbas S.H., Moustafa M.F., Aslam N., Shah S.S.M., A Comprehensive Review of Performance of Next-Generation Sequencing Platforms, „BioMed Research International” 2022, t. 2022, 3457806, DOI: 10.1155/2022/3457806.
Pfeiffer F. i in., Systematic evaluation of error rates and causes in short samples in next-generation sequencing, „Scientific Reports” 2018, t. 8, s. 10950, DOI: 10.1038/s41598-018-29325-6.
Podivinsky E., Love J.L., van der Colff L., Samuel L., Effect of storage regime on the stability of DNA used as a calibration standard for real-time polymerase chain reaction, „Analytical Biochemistry” 2009, t. 394, s. 132–134, DOI: 10.1016/j.ab.2009.06.024.
Rang F.J., Kloosterman W.P., de Ridder J., From squiggle to basepair: computational approaches for improving nanopore sequencing read accuracy, „Genome Biology” 2018, t. 19, s. 90, DOI: 10.1186/s13059-018-1462-9.
Restrepo-Pérez L., Joo C., Dekker C., Paving the way to single-molecule protein sequencing, „Nature Nanotechnology” 2018, t. 13, s. 786–796, DOI: 10.1038/s41565-018-0236-6.
Roy R.K. i in., Design and synthesis of digitally encoded polymers that can be decoded and erased, „Nature Communications” 2015, t. 6, s. 7237, DOI: 10.1038/ncomms8237.
Rutten M.G.T.A., Vaandrager F.W., Elemans J.A.A.W. & Nolte R.J.M., Encoding information into polymers, „Nature Reviews Chemistry” 2018, t. 2, s. 365–381, DOI: 10.1038/s41570-018-0051-5.
Service R., DNA could store all of the world’s data in one room, „Science” 2017, s. 1–2, DOI: 10.1126/science.aal0852.
Shendure J., Balasubramanian S., Church G.M., Gilbert W., Rogers J., Schloss J.A., Waterston R.H., DNA sequencing at 40: past, present and future, „Nature” 2017, t. 550, s. 345–353, DOI: 10.1038/nature24286.
Soete M., van Hoorde J., du Prez F.E., Discrete, self-immolative N-substituted oligourethanes and their use as molecular tags, „Polymer Chemistry” 2022, t. 13, s. 4178–4185, DOI: 10.1039/D2PY00630H.
Szweda R., Tschopp M., Felix O., Decher G., Lutz J.F., Sequences of Sequences: Spatial Organization of Coded Matter through Layer-by-Layer Assembly of Digital Polymers, „Angewandte Chemie International Edition” 2018, t. 57, s. 15817–15821, DOI: 10.1002/anie.201810559.
Tateishi-Karimata H., Sugimoto N., Structure, stability and behaviour of nucleic acids in ionic liquids, „Nucleic Acids Research” 2014, t. 42, s. 8831–8844, DOI: 10.1093/nar/gku499.
Vandenbergh J., Reekmans G., Adriaensens P., Junkers T., Synthesis of sequence-defined acrylate oligomers via photo-induced copper-mediated radical monomer insertions, „Chemical Science” 2015, t. 6, s. 5753–5761, DOI: 10.1039/C5SC02035B.
Wang S., Toreini E., Hao F., Anti-Counterfeiting for Polymer Banknotes Based on Polymer Substrate Fingerprinting, „IEEE Transactions on Information Forensics and Security” 2021, t. 16, s. 2823– 2835, DOI: 10.48550/arXiv.2103.06184.
Youssef I., Carvin-Sergent I., Konishcheva E., Kebe S., Greff V., Karamessini D., Matloubi M., Al Ouahabi A., Moesslein J., Amalian J.A., Poyer S., Charles L., Lutz J.F., Covalent Attachment and Detachment by Reactive DESI of Sequence‐Coded Polymer Taggants, „Macromolecular Rapid Communications” 2022, t. 43, s. 2200412, DOI: 10.1002/marc.202200412.
Zhirnov V., Zadegan R.M., Sandhu G.S., Church G.M., Hughes W.L., Nucleic acid memory, „Nature Materials” 2016, t. 15, s. 366–370, DOI: 10.1038/nmat4594.
Zhu Z., Cardin C. J., Gan Y., Colquhoun H.M., Sequence-selective assembly of tweezer molecules on linear templates enables frameshift-reading of sequence information, „Nature Chemistry” 2010, t. 2, s. 653–660, DOI: 10.1038/nchem.699.
Żyła A, DNA: prawie niezniszczalny i najbardziej pojemny nośnik danych, „Archeion” 2021, t. 122, s. 33–43, DOI: 10.4467/26581264ARC.21.014.14494.
Data Age 2025, sponsored by Seagate with data from IDC Global DataSphere, Nov 2018, https:// www.seagate.com/files/www-content/our-story/trends/files/idc-seagate-dataage-whitepaper.pdf [dostęp: 21.11.2022].
IEA (2022). Data Centres and Data Transmission Networks, IEA, Paris, https://www.iea.org/reports/data-centres-and-data-transmission-networks [dostęp: 09.11.2022].
Statista. Data storage supply and demand worldwide, from 2009 to 2020, https://www.statista.com/statistics/751749/worldwide-data-storage-capacity-and-demand/ [dostęp: 09.11.2022].
Information: Archeion, 2022, 123, pp. 86 - 110
Article type: Original article
Titles:
Czy plastik może rozpocząć nową erę w archiwizacji danych?
Can plastic start a a new era in data archiving?
Lukasiewicz Research Network – PORT Polish Center for Technology Development, Poland
Lukasiewicz Research Network – PORT Polish Center for Technology Development, Poland
Published at: 14.11.2022
Article status: Open
Licence: CC BY-NC-ND
Article financing:
Percentage share of authors:
Article corrections:
-Publication languages:
PolishSuggested citations: Chicago