Brug for noget ekstra opbevaring? prøv dna

Ingeniører har med succes skubbet mere lager i mindre rum i årtier, men det kan ikke fortsætte for evigt. Det næste store spring i datalagring kunne have form af DNA inde i alt organisk stof: Forskere i laboratorier over hele landet eksperimenterer med syntetisk DNA som et lagringsmedium.

"Hvis du ser på, hvor elektronik bevæger sig, siliciumteknologi, en masse af den grundlæggende teknologi, som vi bruger til at bygge computere i dag, nærmer vi os grænsen i næsten alle dem, " siger Luis Henrique Ceze, lektor i datalogi og teknik ved University of Washington. "DNA er meget tæt, det er meget holdbart, og det kræver meget lidt kraft at vedligeholde, så der er en stor fordel ved at bruge DNA til datalagring."

Ceze har samarbejdet med Karin Strauss, en computerarkitektforsker med Microsoft Research, om et samarbejde mellem de to institutioner - et projekt, der bygger bro mellem computervidenskab og biologi. For et team på cirka 20 personer leverer universitetet molekylærbiologer, og Microsoft leverer computerforskere.

For at forstå, hvordan DNA kan bruges til opbevaring, skal du overveje, at alle computerdata er binære eller base-2. DNA er base-4, sammensat af adenin, cytosin, guanin og thymin (forkortet A, C, G og T). Det første trin er at konvertere base-2-information til base-4, så A svarer til 00, C til 01, G til 10 og T til 11 (det forenkler det en smule, men kommer over idéen).

Derefter bruger forskere en maskine kaldet en DNA-synthesizer for at kombinere de fire kemikalier i den rigtige rækkefølge. Resultatet lagrer informationen mange gange som en saltlignende klynge, der er mindre end spidsen af ​​en blyant. Læsning af denne information kræver en DNA-sequencer.

Selvom dette kan lyde skrøbeligt - som noget, der muligvis sprænger væk, når en dør pludselig åbner, er DNA det stærkeste datalagringsmedium, vi har set. Forskere har med succes læst DNA, der er hundretusinder af år gamle.

Sekventering af DNA involverer fjernelse af en lille smule af det lagrede materiale, og processen udtømmes denne prøve. Som følge heraf kan en DNA-registrering læses et begrænset antal gange. Det er dog ikke et problem, da det lagrede materiale har så meget overflødige data; det kan samples igen og igen. Dagens lagermedier har også et begrænset antal skrive- og læse-cyklusser, før de mislykkes, så dette er ikke noget nyt.

Som Ceze påpeger, vil DNA aldrig blive forældet. Mens mange af os har disketter i bagsiden af ​​en skuffe, som vi ikke længere kan læse, er det ikke DNA's skæbne. "Vi vil altid tage os af DNA af livsvidenskabelige og sundhedsmæssige årsager, så du har altid en måde at læse information, der er gemt i DNA, " siger Ceze.

I juli 2016 kodede Microsoft og University of Washington med succes 200MB data i DNA-form, hvilket bestod af den tidligere rekord på 22MB. Ved hjælp af DNA, siger Strauss, vil det være muligt at gemme 1 exabyte data - det er 1 milliard GB - i en 1-tommers terning.

"Vi lavede en vurdering af, hvor meget data du kunne lægge i en bestemt mængde, " siger Strauss. "Vi forsøgte at estimere, hvad der ville være lydstyrken, hvis vi i dag besluttede at arkivere hele det tilgængelige internet, hvilket betyder alt, hvad der ikke er bag et kodeord eller nogen form for elektronisk væg, og vi kom op med størrelsen på en stor skoeske."

Det lyder som et fjerntliggende forslag, men Ceze mener, at vi vil se kommercielle DNA-lagringssystemer på markedet om et årti. De fungerer ikke nøjagtigt som mikroprocessorlagring, da DNA kræver et vådt kemisk miljø til oprettelse, men de vil give massiv kapacitet og tilfældig adgang i de samme hastigheder, som virksomhedsbåndssystemer leverer nu.

Et hurtigt fremrykkende felt

DNA har eksisteret i milliarder af år, men demonstrationer af DNA som brugbar lagringsteknologi begyndte i 1986, da MIT-forsker Joe Davis kodede et simpelt binært billede til 28 basepar af DNA.

En anden pioner på dette område er George Church, en genetikprofessor, der har arbejdet på Harvard Medical School siden 1977 og drevet sit eget laboratorium siden 1986. Kirken har været interesseret i at nedbringe omkostningerne ved DNA-læsning og skrivning siden 1970'erne og tro på, at en dag de ville mødes for at skabe praktisk datalagring. Han blev interesseret i at arbejde på DNA-forskning omkring 2000 og udførte kritiske sekventerings- og syntesetest i 2003 og 2004. I 2012 var han i stand til at sammensætte begge områder og skabe et system til kodning af data. Han skrev dette arbejde op i en indflydelsesrig artikel i Science i Science .

"Før 2003 og '04 blev sekventering og syntese udført i det væsentlige i kapillærer - eller små rør - hvor du ville have et rør pr. Sekvens, " forklarer Church. "Det var temmelig manuelt og ikke skalerbart. Lektionen, som vi havde lært fra halvfabrikationsindustrien til mikrofabrikation, var, at du var nødt til at finde ud af en måde at placere dem i det væsentlige i et todimensionalt plan og derefter skalere funktionsstørrelsen ned. Ingen af ​​dem kolonnebaserede metoder var kompatible med det, og så i 2003 viste vi, hvordan du kunne distribuere sekvenser på et todimensionalt plan og derefter forestille dem med fluorescerende billeddannelse, som nu er den dominerende måde at sekventere. Så i 2004 viste vi, at du kunne fremstille DNA i et fly og derefter glide det af, og så kunne det være endnu mere kompakt, så flyet var bare et midlertidigt sted at syntetisere dem. Så kunne du komprimere dem til et tredimensionelt objekt, der var millioner af gange mere kompakt end normalt datalagring.

"Det var bevis på konceptøvelser i 2003 og 2004. I 2012 havde vi og andre forfinet både læse- og skrivemetoder for DNA, og jeg sammensatte dem til et eksperiment, hvor jeg kodede en bog, som jeg lige havde skrevet til DNA, inklusive billeder, der viser, at dybest set alt, hvad der er digitalt, kan kodes med DNA."

Skønt omkostningerne er en betydelig hindring for DNA-opbevaring, bemærker Church, at prisen er faldet stejlt på den korte tid, der er foretaget forskning. Omkostningerne ved at læse DNA er forbedret cirka 3 millioner gange, mens udgifterne til skrivning er forbedret en milliard gange. Han kan se begge forbedre sig endnu en million gange på endnu kortere tid. Han påpeger også, at omkostningerne ved kopiering af DNA-materiale er næsten gratis, ligesom omkostningerne ved langtidsopbevaring. Ved arkivopbevaring er udgifterne til læsning af data ikke en stor hindring, da meget arkiveret materiale aldrig læses, og nogle elementer læses selektivt. Se på omkostningerne ved hele systemet, rådgiver han. Traditionelle opbevaringsmetoder bevæger sig med Moore's Law hastighed og vil platå snart. Men DNA-lagringsteknologi bevæger sig hurtigere end Moore's lov og viser ingen tegn på plateauing.

Arkivering og skyopbevaring er, hvor kirken ser, at DNA-datalagring først bliver vedtaget. Virksomheder inklusive IBM, Microsoft og Technicolor har deres egne forsknings- og udviklingshold, der studerer området, bemærker han. Han samarbejdede med Technicolor i 2015 for at gemme A Trip to the Moon , en klassisk 1902-film, der engang blev troet tabt, til DNA. Nu har Technicolor mange DNA-kopier, der tilsammen ikke er større end en plet af støv.

Kirken har et laboratorium på 93 mennesker, der arbejder med DNA-opbevaring og fokuserer i øjeblikket på to mål. Den første er at forbedre hastigheden pr. Cyklus radikalt. Information lagres i hundreder af lag, hver så tyk som et molekyle. Hver tilføjelse tager i øjeblikket tre minutter, men kirken mener, at det kan bringes ned til mindre end et millisekund. Det er 200.000 gange hurtigere, bemærker han, og betyder en ændring fra organisk kemi til biokemi. Han vil også ændre, hvordan de instrumenter, der bruges til læsning og skrivning, er fremstillet for at gøre dem meget mindre. I øjeblikket er de på størrelse med store køleskabe. Han vil have det nedskaleret.

Indbygget redundans og behovet for fejlkorrektion

En forsker, der var påvirket af Kirkens videnskabsartikel i 2012, er professor Olgica Milenkovic fra University of Illinois, Urbana-Champaign. Artiklen nævnte behovet for kodning, hvilket straks udløste hendes interesse. Kodning i opbevaringsforskning er en teknik til at tilføje redundans til data, redundans, der senere kan bruges til at korrigere for fejl, der opstår under læsning og skriveprocessen. For et eksempel på, hvorfor dette er vigtigt, kan du se de to Citizen Kane-billeder her. Begge blev kodet i DNA af Milenkovic's team og derefter læst. Gæt hvilken man brugte redundans.

Du har ret: Billedet til venstre blev kodet med redundans, og det højre billede var det ikke.

En enkel måde at tilføje redundans er at gentage hvert tegn et bestemt antal gange. I stedet for at skrive en 0, skriv den fire gange. Det er den brute-force tilgang - enkel, men frygtelig ineffektiv. Milenkovics arbejde handler om at opnå den samme fejlkorrektion på en mere sofistikeret måde. Det involverer teknikker kaldet paritetskontrol eller lineær kongruenscheck for at tilvejebringe måder at verificere data på.

”Hele feltet handler dybest set om at hjælpe dig med at rette fejl, hvis de vises, eller endnu bedre, undgå fejl, som du ved, er meget sandsynlige, ” siger Milenkovic. "Vi indfører kontrolleret redundans for at slippe af med fejl, og den kontrollerede redundans er ikke i form af enkel gentagelse, fordi det er meget ineffektivt."

Det var det, der bragte Milenkovic ind i feltet, men hendes forskning nu handler om at nedbringe de enorme omkostninger ved DNA-syntese.

"Min studerende, H. Tabatabae Yazdi, der var meget aktiv på dette emne, og jeg har forsøgt virkelig hårdt på at komme på en smart måde at undgå at syntetisere DNA. Syntese af DNA er absolut en flaskehals for denne teknologi på grund af de høje omkostninger, Siger Milenkovic.

Selvom Milenkovic er vild med at afsløre for meget om upubliceret forskning, involverer hendes løsning "listige matematiske tilgange" og handler alt om timing, hvor størrelsen på intervallet mellem informationsstykker er meningsfuld.

"Hvis du undgår formaliteten, som du vil bruge ATGC'er til virkelig at kode binære symboler på et bestemt sted, kan du komme med meget smartere og mere effektive midler til at gemme information, fordi du ikke behøver at syntetisere tråde igen og igen igen, ”forklarer Milenkovic. "Du kan syntetisere dem én gang på en bestemt måde og derefter genbruge det syntetiserede DNA på en smart kombinatorisk måde."

Gennem sit arbejde håber Milenkovic at få omkostningerne ved at syntetisere DNA ned i mindst tre størrelsesordrer. Det er stadig ikke nok, bemærker hun, men det er fremskridt. Det bidrager også til en linje af forskning, som hun synes er fascinerende.

"Det er meget spændende at være ærlig at spille Gud og kode dine egne oplysninger i DNA, " siger Milenkovic. "Det giver en person en følelse af spænding at vide, at du spiller med et valgt naturmolekyle og får det til at gøre det, du vil gemme og kode og formidle information til fremtiden."

Indskud - enhver dag nu

Det er ikke alt tørstøvet akademisk forskning med DNA-opbevaring. Helixworks, et firma med base i Irland, forsøger allerede at tjene penge på det. Det har et produkt på Amazon - slags.

"Vi lancerede på Amazon, så du kunne få 512 KB digitale data kodet til DNA, " forklarer Nimesh Pinnamaneni, virksomhedens medstifter. "Det er noget meget lille. Måske et billede eller måske et digt, noget i den retning."

Det er et usædvanligt køb, men det kan være den perfekte kærlighedstegn for den person, der har alt, især hvis denne person er en videnskabsmand:

"Jeg kan huske, at en kunde ringede til os. Han ville gave sin kone - de er begge bioteknologer - han ville gave sin kone på deres bryllupsdag. Han ville lægge en besked i DNA og give hende et DNA, " husker Pinnamaneni. "Hun bliver nødt til at sekvensere DNA'et for at læse beskeden. Det er en ret kompliceret måde at sende en kærlighedsbesked på, men måske er det sød for bioteknologer, ved du?"

Men Helixworks kom lidt foran sig selv med at sende sit produkt på Amazon i august 2016, før det var klar til at udføre ordrer. To personer købte virksomhedens $ 199 DNADrive - en 14 karat guldkapsel med en klynge DNA inde - inden Helixworks blev tvunget til at afnotere sit produkt. DNADrive er stadig på Amazon, men det kan ikke købes.

Det betyder ikke, at Helixworks er forbi, bare alt for ivrig. Det er kommet for langt til at stoppe nu. Virksomheden startede på Universitetet i Borås i Sverige, hvor Pinnamaneni (afbildet ovenfor, til venstre) og Sachin Chalapati (til højre), virksomhedens anden medstifter, fik kandidatuddannelser i bioteknologi. De skaffede penge til forskning i DNA-opbevaring, fortsatte deres arbejde en gang derhjemme i Bangalore, Indien og udviklede et bevis på koncept.

Tilskud til yderligere midler bragte dem til IndieBio-acceleratorprogrammet, der drives af SOSV, et startup-venturekapitalfirma i San Francisco, Californien. Helixworks blev valgt af programmet og vandt $ 50.000 kontant og evnen til at arbejde fra et laboratorium i Cork (amt), hvor det har været i de sidste seks måneder. Programmet inkluderer mentoring om pitching af et produkt, som Helixworks vil bruge til dette års South by Southwest-festival, hvor det vil konkurrere i en pitch-begivenhed.

Selvom det med tiden kan blive en lukrativ sidelinie, at gyldne DNA-kapsler udskilles, siger Pinnamaneni, at hans virksomheds fremtid ligger i de kompakte DNA-printere til hjemmet og kontoret, det udvikler nu. Han ønsker at gøre DNA-lagring let og overkommelig nok til, at enhver kan bruge.

"Vi regnede ud, at du skal have noget, der fungerer som en patron i en printer, " forklarer Pinnamaneni. "Du har bare fire farver, og disse fire farver kan kombineres til at danne en hvilken som helst farve, ikke? Det er, hvordan din blækprinter fungerer. Vi regnede ud, at vi skulle have noget lignende i vores system. Vi designet en patron med 32 reagenser, der kan kombineres til dannelse af enhver mulig DNA-sekvens."

Mens andre laboratorier betaler omkring $ 30.000 hver gang de har brug for at syntetisere DNA, en operation, der tager uger at gennemføre, siger Pinnamaneni, at hans opfindelse kan reducere omkostningerne og tiden dramatisk. Helixworks samarbejder med Opentrons, et firma, der fremstiller automatiseret laboratorieudstyr, for at skabe printeren. Det er hvad det vil tonehøjde på SXSW.

"Det, vi vil demonstrere på ekspo-gulvet, er DNA-skrivning lige foran dine øjne, " siger Pinnamaneni.

Virksomheden modtager ikke ordrer endnu. Og det er godt, for den romantiske bioteknolog venter stadig på sin jubilæumsgave.