Trenger du litt ekstra lagring? prøv dna

Ingeniører har med suksess presset mer lagring på mindre områder i flere tiår, men det kan ikke fortsette for alltid. Det neste store hoppet i datalagring kan ta form av DNA i alt organisk materiale: Forskere på laboratorier over hele landet eksperimenterer med syntetisk DNA som lagringsmedium.

"Hvis du ser på hvor elektronikk skal, silisiumteknologi, mye av den grunnleggende teknologien som vi bruker for å bygge datamaskiner i dag, nærmer vi oss grensen i nesten alle av dem, " sier Luis Henrique Ceze, førsteamanuensis i informatikk og ingeniørfag ved University of Washington. "DNA er veldig tett, det er veldig holdbart, og det krever veldig lite krefter å vedlikeholde, så det er mye fordel med å bruke DNA til datalagring."

Ceze har samarbeidet med Karin Strauss, en dataarkitekturforsker med Microsoft Research, om et samarbeid mellom de to institusjonene - et prosjekt som bygger bro mellom informatikk og biologi. For et team på omtrent 20 personer sørger universitetet for molekylærbiologer, og Microsoft forsyner datamaskinforskerne.

For å forstå hvordan DNA kan brukes til lagring, må du tenke på at all datadata er binær, eller base-2. DNA er base-4, sammensatt av adenin, cytosin, guanin og timin (forkortet A, C, G og T). Det første trinnet er å konvertere base-2-informasjon til base-4, så A tilsvarer 00, C til 01, G til 10 og T til 11 (som forenkler det litt, men kommer over ideen).

Da bruker forskere en maskin som kalles en DNA-synthesizer for å kombinere de fire kjemikaliene i riktig rekkefølge. Resultatet lagrer informasjonen mange ganger som en saltlignende klynge som er mindre enn tuppen av en blyant. Å lese den informasjonen tilbake krever en DNA-sekvenser.

Selv om dette kan høres skjørt ut - som noe som kan blåse bort når en dør plutselig åpnes - er DNA det sterkeste datalagringsmediet vi har sett. Forskere har lest DNA som er hundretusenvis av år med hell.

Sekvensering av DNA innebærer å fjerne en liten bit av det lagrede materialet, og prosessen tapper ut prøven. Følgelig kan et DNA-opptak leses et begrenset antall ganger. Det er ikke noe problem, siden det lagrede materialet har så mye overflødige data; det kan prøves om og om igjen. Dagens lagringsmedier har også et begrenset antall skrive- og lesesykluser før de feiler, så dette er ikke noe nytt.

Som Ceze påpeker, vil DNA aldri bli foreldet. Mens mange av oss har disketter på baksiden av en skuff som vi ikke lenger kan lese, vil det ikke være skjebnen til DNA. "Vi kommer alltid til å bry oss om DNA av livsvitenskapelige og helsemessige årsaker, så du kommer alltid til å ha en måte å lese informasjon som er lagret i DNA, " sier Ceze.

I juli 2016 kodet Microsoft og University of Washington vellykket 200MB data i DNA-form, og best de forrige rekorden på 22MB. Ved å bruke DNA, sier Strauss, vil det være mulig å lagre 1 exabyte med data - det er 1 milliard GB - i en 1-tommers kube.

"Vi gjorde et estimat av hvor mye data du kan legge i et bestemt volum, " sier Strauss. "Vi prøvde å estimere hva som ville være volumet hvis vi i dag bestemte oss for å arkivere hele det tilgjengelige Internett, noe som betyr alt som ikke er bak et passord eller noen form for elektronisk vegg, og vi fant på størrelse med en stor skoeske."

Det høres ut som et fjerntliggende forslag, men Ceze tror vi vil se kommersielle DNA-lagringssystemer på markedet om et tiår. De vil ikke fungere akkurat som mikroprosessorlagring, siden DNA krever et vått kjemisk miljø for opprettelse, men de vil gi massiv kapasitet og tilfeldig tilgang i samme hastigheter som enterprise tape-systemer gir nå.

Et raskt fremskritt felt

DNA har eksistert i milliarder av år, men demonstrasjoner av DNA som brukbar lagringsteknologi begynte i 1986 da MIT-forsker Joe Davis kodet et enkelt binært bilde til 28 basepar av DNA.

En annen pioner på dette feltet er George Church, en genetikkprofessor som har jobbet ved Harvard Medical School siden 1977 og drevet sitt eget laboratorium siden 1986. Church har vært interessert i å få ned kostnadene for DNA-lesing og skriving siden 1970-tallet, og tro at en dag de ville komme sammen for å lage praktisk datalagring. Han ble interessert i å jobbe med DNA-forskning rundt 2000 og utførte kritiske sekvenserings- og syntesetester i 2003 og 2004. I 2012 var han i stand til å sette sammen begge områdene og lage et system for koding av data. Han skrev opp det arbeidet i en innflytelsesrik artikkel fra 2012 i Science .

"Før 2003 og '04 ble sekvensering og syntese gjort hovedsakelig i kapillærer - eller små rør - der du ville ha ett rør per sekvens, " forklarer Church. "Det var ganske manuelt og ikke skalerbart. Leksjonen vi hadde lært fra halvfabrikata for mikrofabrikkering var at du trengte å finne en måte å plassere dem i hovedsak i et todimensjonalt plan og deretter skalere ned funksjonstørrelsen. Ingen av disse kolonnebaserte metoder var kompatible med det, og så i 2003 viste vi hvordan du kunne distribuere sekvenser på et todimensjonalt plan og deretter avbilde dem med lysstoffretting som nå er den dominerende måten å sekvensere. Så i 2004 viste vi at du kunne produsere DNA i et fly og deretter skli det av, og så kunne det være enda mer kompakt, så flyet var bare et midlertidig sted å syntetisere dem. Så kunne du komprimere dem til et tredimensjonalt objekt som var millioner av ganger mer kompakt enn vanlig datalagring.

"Dette var bevis på konseptøvelser i 2003 og 2004. I 2012 hadde vi og andre foredlet både lese- og skrivemetodene for DNA, og jeg satte dem sammen til ett eksperiment hvor jeg kodet en bok som jeg nettopp hadde skrevet til DNA, inkludert bilder som viser at i utgangspunktet alt som er digitalt kan kodes med DNA."

Selv om kostnadene er et betydelig hinder for DNA-lagring, bemerker Church at prisen har falt bratt på kort tid som forskning har blitt gjort. Kostnaden for å lese DNA har forbedret seg omtrent 3 millioner ganger, mens kostnadene for skriving har forbedret seg med en milliardfold. Han kan se at begge forbedrer seg enda en million ganger på kortere tid. Han påpeker også at kostnadene for å kopiere DNA-materiale er nesten gratis, og det samme er kostnadene for langtidslagring. For arkivlagring er ikke kostnadene for lesing av data et stort hinder, siden mye arkivert materiale aldri blir lest og noen elementer leses selektivt. Se på kostnadene for hele systemet, råder han. Tradisjonelle lagringsmetoder beveger seg med Moore's Law hastighet og vil platå snart. Men DNA-lagringsteknologi beveger seg raskere enn Mores lov og viser ingen tegn til platåing.

Arkivering og skylagring er der kirken ser DNA-datalagring bli tatt i bruk først. Selskaper inkludert IBM, Microsoft og Technicolor har egne forsknings- og utviklingsteam som studerer området, konstaterer han. Han samarbeidet med Technicolor i 2015 for å lagre A Trip to the Moon , en klassisk 1902-film som en gang ble trodd tapt, til DNA. Nå har Technicolor mange DNA-kopier som til sammen ikke er større enn en flekk av støv.

Church har et laboratorium med 93 personer som jobber med DNA-lagring og fokuserer for tiden på to mål. Den første er å forbedre hastigheten per syklus radikalt. Informasjon lagres i hundrevis av lag, hver så tykk som et molekyl. Hvert tillegg tar for øyeblikket tre minutter, men kirken mener det kan bringes ned til mindre enn et millisekund. Det er 200.000 ganger raskere, konstaterer han, og betyr en endring fra organisk kjemi til biokjemi. Han vil også endre hvordan instrumentene som brukes til lesing og skriving er produsert for å gjøre dem mye mindre. For øyeblikket er de på størrelse med store kjøleskap. Han vil ha det nedskalert.

Innebygd redundans og behovet for feilretting

En forsker som ble påvirket av Kirkens vitenskapsartikkel fra 2012, er professor Olgica Milenkovic ved University of Illinois, Urbana-Champaign. Artikkelen omtalte behovet for koding, noe som umiddelbart utløste hennes interesse. Koding i lagringsforskning er en teknikk for å legge redundans til data, redundans som senere kan brukes til å korrigere for feil som oppstår under lese- og skriveprosessen. For et eksempel på hvorfor dette er viktig, kan du se de to Citizen Kane-bildene her. Begge ble kodet i DNA av Milenkovics team og ble deretter lest opp. Gjett hvilken som brukte redundans.

Du har rett: Bildet til venstre ble kodet med redundans, og bildet til høyre var det ikke.

En enkel måte å legge til overflødighet er å gjenta hvert tegn et sett antall ganger. I stedet for å skrive en 0, skriv den fire ganger. Det er brute-force tilnærmingen - enkel, men veldig ineffektiv. Milenkovics arbeid handler om å oppnå den samme feilretting på en mer sofistikert måte. Det innebærer teknikker som kalles paritetskontroller eller lineære kongruenssjekker for å gi måter å verifisere data på.

"Hele feltet handler i bunn og grunn om å hjelpe deg med å rette opp feil hvis de vises, eller enda bedre, unngå feil som du vet er veldig sannsynlige å vises, " sier Milenkovic. "Vi innfører kontrollert redundans for å bli kvitt feil, og at kontrollert redundans ikke er i form av enkel repetisjon, fordi det er veldig ineffektivt."

Det var det som brakte Milenkovic ut i feltet, men forskningen hennes nå handler om å få ned de enorme kostnadene for DNA-syntese.

"Min student, H. Tabatabae Yazdi, som var veldig aktiv på dette emnet, og jeg har prøvd veldig hardt på å komme frem til en smart måte å unngå syntese av DNA. Syntese av DNA er absolutt en flaskehals for denne teknologien på grunn av de høye kostnadene, "Sier Milenkovic.

Selv om Milenkovic er villig til å avsløre for mye om upublisert forskning, innebærer løsningen hennes "utspekulerte matematiske tilnærminger" og handler om timing, der størrelsen på intervallet mellom informasjonsbiter er meningsfull.

"Hvis du dispenserer fra formaliteten som du vil bruke ATGC-er for å virkelig kode binære symboler på et bestemt sted, kan du komme med mye smartere og mer effektive måter å lagre informasjon på, fordi du ikke trenger å syntetisere tråder om og om igjen igjen, "forklarer Milenkovic. "Du kan syntetisere dem en gang på en bestemt måte og deretter gjenbruke det syntetiserte DNA på en smart kombinatorisk måte."

Gjennom sitt arbeid håper Milenkovic å få kostnadene for å syntetisere DNA ned minst tre størrelsesordener. Det er fremdeles ikke nok, konstaterer hun, men det er fremgang. Det bidrar også til en forskningslinje hun synes er fascinerende.

"Det er veldig spennende, å være ærlig, å spille Gud og kode din egen informasjon i DNA, " sier Milenkovic. "Det gir en person en følelse av spenning å vite at du leker med et valgt naturmolekyl og får det til å gjøre det du vil lagre og kode og formidle informasjon til fremtiden."

Innkassere - Enhver dag nå

Det er ikke alt tørst støvet akademisk forskning med DNA-lagring. Helixworks, et selskap med base i Irland, prøver allerede nå å tjene penger på det. Den har et produkt på Amazon - slags.

"Vi lanserte på Amazon slik at du kunne få 512 kB digital data kodet inn i DNA, " forklarer Nimesh Pinnamaneni, selskapets medstifter. "Det er noe veldig lite. Kanskje et bilde eller kanskje et dikt, noe sånt."

Det er et uvanlig kjøp, men det kan være et perfekt kjærlighetsmerke for personen som har alt, spesielt hvis personen er en vitenskapsmann:

"Jeg husker at en kunde ringte oss. Han ønsket å gi sin kone gave - de er begge bioteknologer - han ønsket å gi sin kone i gave til bryllupsdagen deres. Han ønsket å legge inn en melding i DNA og gi henne et DNA, " husker Pinnamaneni. "Hun ville måtte sekvensere DNA for å lese meldingen. Det er en ganske komplisert måte å sende en kjærlighetsmelding på, men kanskje det er søtt for bioteknologer, vet du?"

Men Helixworks kom litt foran seg selv med å legge ut produktet sitt på Amazon i august 2016, før det var klart til å oppfylle ordrer. To personer kjøpte selskapets 199 dollar DNADrive - en 14-karat gullkapsel med en klynge DNA inne - før Helixworks ble tvunget til å avnotere produktet. DNADrive er fremdeles på Amazon, men det kan ikke kjøpes.

Det betyr ikke at Helixworks er over, bare altfor ivrig. Det er kommet for langt til å stoppe nå. Selskapet startet ved University of Borås i Sverige, der Pinnamaneni (bildet over, til venstre) og Sachin Chalapati (til høyre), selskapets andre medgrunnlegger, fikk mastergrader i bioteknologi. De samlet inn midler til DNA-lagringsforskning, fortsatte arbeidet hjemme i Bangalore, India, og utviklet et konseptbevis.

Innkjøring for ytterligere midler brakte dem til IndieBio-akseleratorprogrammet som ble drevet av SOSV, et oppstartsforetak i San Francisco, California. Helixworks ble valgt av programmet og vant $ 50 000 i kontanter og muligheten til å jobbe fra et laboratorium i County Cork, der det har vært det siste halvåret. Programmet inkluderer veiledning om pitching et produkt, som Helixworks vil ta i bruk på årets South by Southwest-festival, hvor det skal konkurrere i en tonehendelsesevent.

Selv om det å kaste ut gyldne DNA-kapsler til slutt kan være en lukrativ sidelinje, sier Pinnamaneni at selskapets fremtid ligger i de kompakte DNA-skrivere hjemme og på kontoret som den utvikler nå. Han ønsker å gjøre DNA-lagring enkelt og rimelig nok til at alle kan bruke.

"Vi fant ut at du må ha noe som fungerer som en kassett i en skriver, " forklarer Pinnamaneni. "Du har bare fire farger, og disse fire fargene kan kombineres for å danne en hvilken som helst farge, ikke sant? Det er slik blekkskriveren din fungerer. Vi fant ut at vi trenger å ha noe sånt i systemet vårt. Vi designet en patron med 32 reagenser som kan kombineres for å danne en hvilken som helst DNA-sekvens."

Mens andre laboratorier betaler rundt $ 30 000 dollar hver gang de trenger å syntetisere DNA, en operasjon som tar flere uker å gjennomføre, sier Pinnamaneni at oppfinnelsen hans kan redusere kostnadene og tiden dramatisk. Helixworks samarbeider med Opentrons, et selskap som lager automatisert laboratorieutstyr, for å lage skriveren. Det er hva det vil slå på SXSW.

"Det vi vil demonstrere på ekspogulvet, er DNA-skriving rett foran øynene dine, " sier Pinnamaneni.

Selskapet vil ikke ta noen bestillinger ennå. Og det er bra, fordi den romantiske bioteknologen fremdeles venter på sin jubileumsgave.