Ketika datang untuk menyimpan gambar, untaian DNA bisa menjadi alternatif yang berkelanjutan dan stabil untuk hard drive. Para peneliti di EPFL sedang mengembangkan standar kompresi gambar baru yang dirancang khusus untuk teknologi yang muncul ini.
Dalam beberapa tahun, kami secara kolektif akan mengambil lebih dari dua triliun gambar setiap tahun. Beberapa gambar akan tetap di smartphone kami, tetapi banyak dari mereka akan disimpan di cloud, mengisi kaset magnetik pusat data dan hard drive. Namun sistem ini memiliki batasan dalam hal berapa banyak data yang dapat mereka simpan dan untuk berapa lama – belum lagi dampak lingkungan mereka.
Salah satu alternatifnya adalah menyimpan gambar pada DNA. “Kami memperkirakan bahwa satu gram DNA dapat menampung sekitar 215 juta gigabyte data,” kata Touradj Ebrahimi, seorang ahli pemrosesan gambar dan kepala kelompok pemrosesan sinyal multimedia EPFL. “Itu setara dengan 860.000 hard drive eksternal dengan kapasitas 250 GB – atau cukup untuk menyimpan sekitar 50.000 gambar – masing -masing.”
Ribuan tahun penyimpanan data
DNA berisi semua informasi yang dibutuhkan organisme untuk hidup, tumbuh, dan bereproduksi. Dan itu dapat menyimpan informasi ini untuk waktu yang sangat lama. Pada tahun 2022, para ilmuwan menemukan DNA di lapisan es Greenland yang berusia dua juta tahun.
Hari ini, para ilmuwan dapat membaca dan menulis “kode kehidupan” ini berkat kemajuan dalam sekuensing dan sintesis DNA. Untaian DNA mengkodekan informasi genetik melalui urutan spesifik empat nukleotida: adenin (A), timin (T), sitosin (C) dan guanin (G).
Ketika DNA digunakan untuk penyimpanan data, langkah pertama adalah mengonversi format biner (0, 1) menjadi sekuens DNA (a, t, c, g). Urutan ini kemudian disintetisasi ke untaian DNA dan disimpan di lingkungan yang sesuai. Ketika tiba saatnya untuk membaca data, untaian DNA diterjemahkan dengan melalui proses yang sama secara terbalik.
JPEG DNA, standar generasi berikutnya
Pendekatan ini memiliki potensi besar untuk pengarsipan jangka panjang, tetapi beberapa rintangan tetap ada. Salah satunya adalah biaya tinggi; Lain adalah jumlah waktu yang cukup untuk mengarsipkan dan memulihkan data. Namun DNA menawarkan keunggulan besar dalam hal kepadatan penyimpanannya yang tinggi, umur panjang dan kebutuhan daya rendah. Teknologi ini sedang dieksplorasi oleh para peneliti di seluruh dunia – termasuk yang ada di laboratorium Ebrahimi.
Sebagai kepala Komite Pakar Fotografi Gabungan (JPEG), posisi yang dipegangnya sejak 2014, Ebrahimi membantu jangkar format JPEG sebagai standar penyimpanan gambar utama dengan mengadaptasinya dengan teknologi baru dan pergeseran sosial.
Proyek terbarunya adalah JPEG DNA, dilakukan dalam hubungannya dengan Komisi Elektroteknik Internasional, Universitas Takushoku di Jepang dan organisasi lain. “Ini adalah tantangan nyata untuk menciptakan kembali gambar secara akurat setelah mereka dikodekan, disintetisasi, disimpan, diamplifikasi dan kemudian diurutkan,” kata Ebrahimi. “Tetapi dengan standar yang diadopsi secara luas untuk menggambar, para insinyur akan dapat mengembangkan metode pengkodean dan kompresi gambar yang efektif.”
Sebagai bagian dari proyek ini, kelompok penelitian Ebrahimi merancang prosedur pengkodean yang dapat digunakan untuk mengevaluasi metode penyimpanan berbasis DNA yang berbeda. Prosedur ini mencakup serangkaian gambar yang telah ditentukan untuk menjalankan tes, kriteria untuk membandingkan metode yang berbeda, mekanisme koreksi kesalahan, dan teknik untuk menangani kendala biokimia seperti frekuensi dan urutan simbol DNA yang dihasilkan oleh gambar, yang dapat mengacaukan untaian DNA.
Pengkodean untuk DNA
Untuk menangani file multimedia yang sangat besar, tim peneliti mengembangkan algoritma kompresi gambar baru yang dapat secara efisien mengkodekan data biner ke dalam sekuens DNA. Gambar yang disediakan di.jpg format tidak perlu diterjemahkan sebelumnya. Algoritma baru mereka tidak hanya cepat dan dapat diandalkan, tetapi juga menghasilkan DNA sintetis yang lebih sedikit, membutuhkan daya pemrosesan yang lebih sedikit dan memberikan kualitas gambar yang lebih baik.
Insinyur EPFL bekerja dengan komite JPEG untuk memasukkan kedua kode sumber (untuk kompresi gambar) dan pengkodean saluran bising (untuk membuat program lebih kuat untuk kesalahan dan disesuaikan dengan kendala biokimia DNA) ke dalam standar DNA JPEG.
“Berkat kemajuan terbaru dalam kecerdasan buatan dan pembelajaran mesin, kita harus dapat memperbaiki standar DNA JPEG dengan meningkatkan mekanisme penyandian dan koreksi kesalahan sambil tetap kompatibel dengan sintaks standar dan prosedur decoding sumber,” kata Ebrahimi.
Komite JPEG berencana untuk memperkenalkan Standar Internasional JPEG DNA pada tahun 2026.
Proyek JPEG DNA saat ini dipajang di Paviliun Swiss dari Osaka World Expo.
Referensi
“Coding of Still Pictures”: https://ds.jpeg.org/documents/jpegdna/wg1n100517-099-icq-jpeg_dna_common_test_conditions_v2.pdf
“Menuju Penyimpanan Informasi Visual yang Efektif tentang Dukungan DNA”: https://infoscience.epfl.ch/entities/publication/001e1840-d15a-49a6-8b7d-932e6eb2b9bd
“Meningkatkan Kualitas Gambar dalam Kompresi Gambar Generasi Berikutnya”: https://infoscience.epfl.ch/entities/publication/a2d6de17-8027-461a-9d6e-1998a2e93f46
