Information-theoretic problems of DNA-based storage systems

Stanislav Kruglik (1) , Gregory Kucherov (1, 2) , Kamilla Nazirkhanova (3) , Mikhail Filitov (4)

1 LIGM - Laboratoire d'Informatique Gaspard-Monge
2 CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique
3 Stanford University
4 Skoltech - Skolkovo Institute of Science and Technology [Moscow]

Currently, we witness an explosive growth in the amount of information produced by humanity. This raises new fundamental problems of its efficient storage and processing. Commonly used magnetic, optical, and semiconductor information storage devices have several drawbacks related to small information density and limited durability. One of the promising novel approaches to solving these problems is DNA-based data storage. Purpose: An overview of modern DNA-based storage systems and related information-theoretic problems. Results: The current state of the art of DNA-based storage systems is reviewed. Types of errors occurring in them as well as corresponding error-correcting codes are analysed. The disadvantages of these codes are shown, and possible pathways for improvement are mentioned. Proposed information-theoretic models of DNA-based storage systems are analysed, and their limitation highlighted. In conclusion, main obstacles to practical implementation of DNA-based storage systems are formulated, which can be potentially overcome using information-theoretic methods considered in this overview.

Введение: взрывной рост объемов производимой человечеством информации ставит новые фундаментальные задачи, связанные с ее эффективным хранением и доступом к ней. Широко используемые при этом магнитные, оптические и полупроводниковые устройства хранения имеют ряд существенных недостатков, связанных, прежде всего, с ограничениями на объем и долговечность хранения. Одной из возможных альтернатив, активно исследуемой в последние годы, является хранение данных с помощью молекул ДНК. Цель: обзор текущего состояния методов хранения информации с помощью молекул ДНК и связанных теоретико-информационных проблем. Результаты: сделан обзор современного состояния дел в разработке систем ДНК-памяти. Проведен анализ типов ошибок, возникающих в таких системах, и корректирующих кодов для выявления и исправления этих ошибок. Показаны недостатки предложенных на сегодня кодов и указаны возможные направления их улучшения. Приведен анализ существующих теоретико-информационных моделей каналов для систем ДНК-памяти и присущих им ограничений. В заключении обзора сформулированы основные проблемы на пути создания практических систем ДНК-памяти, решению которых послужит дальнейшее развитие теоретико-информационных методов, рассмотренных в настоящем обзоре. Ключевые слова-системы хранения информации, ДНК-память, каналы передачи информации, пропускная способность канала, ошибки замены, ошибки вставки, ошибки выпадения.

Domaines: Algorithme et structure de données [cs.DS]

Stanislav Kruglik, Gregory Kucherov, Kamilla Nazirkhanova, Mikhail Filitov. Information-theoretic problems of DNA-based storage systems. Information and Control Systems, 2021, 3, pp.39 - 52. ⟨10.31799/1684-8853-2021-3-39-52⟩. ⟨hal-03447208⟩