Tarvitsetko ylimääräistä tallennustilaa? kokeile dna

Insinöörit ovat onnistuneesti siirtäneet enemmän varastoja pienempiin tiloihin vuosikymmenien ajan, mutta se ei voi jatkua ikuisesti. Seuraava suuri tallennushypytys voi tapahtua DNA: n muodossa kaiken orgaanisen aineen sisällä: Maan laboratorioiden tutkijat kokeilevat synteettistä DNA: ta tallennusvälineenä.

"Jos tarkastellaan minne elektroniikka menee, piitekniikkaa, paljon perustekniikkaa, jota nykyään rakennamme tietokoneille, lähestymme rajaa melkein kaikissa niissä", sanoo tietojenkäsittelytieteen apulaisprofessori Luis Henrique Ceze. ja tekniikka Washingtonin yliopistossa. "DNA on erittäin tiheä, erittäin kestävä ja ylläpitää vain vähän voimaa, joten DNA: n käytöllä tietojen varastoinnissa on paljon etuja."

Ceze on työskennellyt yhdessä Microsoft Researchin kanssa tietokonearkkitehtuurin tutkijan Karin Straussin kanssa kahden instituutin yhteistyössä - projekti, joka siltaa tietotekniikan ja biologian. Noin 20 hengen ryhmälle yliopisto tarjoaa molekyylibiologit ja Microsoft tietokonetutkijoita.

Ymmärtääksesi, kuinka DNA: ta voidaan käyttää varastointiin, ota huomioon, että kaikki tietokoneen tiedot ovat binaarisia tai base-2. DNA on emäs-4, koostuen adeniinista, sytosiinista, guaniinista ja tymiinistä (lyhennettynä A, C, G ja T). Ensimmäinen vaihe on muuntaa base-2-informaatio base-4: ksi, joten A vastaa arvoa 00, C: stä 01, G: stä 10 ja T: stä 11: een (mikä yksinkertaistaa sitä hiukan, mutta pääsee idean läpi).

Sitten tutkijat käyttävät konetta, jota kutsutaan DNA-syntetisaattoriksi, neljän kemikaalin yhdistämiseksi oikeassa järjestyksessä. Tulos tallentaa tiedot monta kertaa suolamaisena klusterina, joka on pienempi kuin kynän kärki. Tietojen lukeminen vaatii DNA-sekvensserin.

Vaikka tämä saattaa kuulostaa haurasta - kuten jotain, joka saattaa räjähtää, kun ovi yhtäkkiä aukeaa -, DNA on vahvin tietoväline, jota olemme nähneet. Tutkijat ovat lukeneet onnistuneesti satoja tuhansia vuosia vanhaa DNA: ta.

DNA: n sekvensointi sisältää pienen osan poistamisen varastoidusta materiaalista ja prosessi kuluttaa kyseisen näytteen. Näin ollen DNA-tallenne voidaan lukea rajallinen määrä kertoja. Se ei kuitenkaan ole ongelma, koska tallennetulla aineistolla on niin paljon tarpeetonta tietoa; siitä voidaan ottaa näytteitä yhä uudelleen. Nykyisillä tallennusvälineillä on myös rajallinen määrä kirjoitus- ja lukujaksoja ennen niiden epäonnistumista, joten tämä ei ole mitään uutta.

Kuten Ceze huomauttaa, DNA ei ole koskaan vanhentunut. Vaikka monilla meistä on levykkeitä laatikon takana, joita emme voi enää lukea, niin se ei ole DNA: n kohtalo. "Aiomme aina huolehtia DNA: sta biotieteistä ja terveydellisistä syistä, joten sinulla on aina tapa lukea DNA: hon tallennettuja tietoja", Ceze sanoo.

Heinäkuussa 2016 Microsoft ja Washingtonin yliopisto koodasivat menestyksekkäästi 200 Mt tietoa DNA-muotoon, mikä oli paras aikaisempi ennätys 22 Mt. Straussin mukaan DNA: n avulla on mahdollista tallentaa 1 kappaleen tieto - se on miljardi gigatavua - yhden tuuman kuutioon.

"Arvioimme, kuinka paljon tietoja voisit laittaa tietylle tilavuudelle", Strauss sanoo. "Yritimme arvioida, mikä olisi tilavuus, jos päättäisimme tänään arkistoida koko käytettävissä olevan Internetin, tarkoittaen kaikkea muuta, mikä ei ole salasanan tai minkäänlaisen elektronisen seinän takana, ja keksimme suuren kenkälaatikon koon."

Se kuulostaa kaukaiselta ehdotukselta, mutta Ceze uskoo näkevänsä kaupalliset DNA-varastointijärjestelmät markkinoilla vuosikymmenen kuluessa. Ne eivät toimi aivan kuten mikroprosessorisäilytys, koska DNA vaatii märän kemiallisen ympäristön luomiseen, mutta ne tarjoavat valtavan kapasiteetin ja satunnaisen pääsyn samoilla nopeuksilla, joita yrityksen nauhajärjestelmät tarjoavat nyt.

Nopeasti etevä kenttä

DNA on ollut olemassa miljardeja vuosia, mutta DNA: n demonstrointi käyttökelpoisena säilytysteknologiana aloitettiin vuonna 1986, kun MIT: n tutkija Joe Davis koodasi yksinkertaisen binaarikuvan 28 DNA-emäspariin.

Toinen edelläkävijä tällä alalla on George Church, geeniprofessori, joka on työskennellyt Harvardin lääketieteellisessä koulussa vuodesta 1977 ja hoitanut omaa laboratoriotaan vuodesta 1986. Kirkko on kiinnostunut alentamaan DNA: n lukemisen ja kirjoittamisen kustannuksia 1970-luvulta lähtien uskoen, että joskus he kokoontuisivat luomaan käytännön tietojen varastointia. Hänestä kiinnostui työskennellä DNA-tutkimuksessa noin 2000 ja suoritti kriittisiä sekvensointi- ja synteesitestejä vuosina 2003 ja 2004. Vuoteen 2012 mennessä hän pystyi koottamaan molemmat alueet yhteen ja luomaan järjestelmän tietojen koodaamiseksi. Hän kirjoitti tämän työn vaikuttavaan Science- artikkeliin 2012.

"Ennen vuotta 2003 ja '04 sekvensointi ja synteesi tehtiin pääasiassa kapillaareissa - tai pienissä putkissa - missä sinulla olisi yksi putki sekvenssiä kohti", Church selittää. "Se oli melko manuaalinen eikä skaalautuva. Oppitunti, jonka olimme oppinut mikrotekniikan puolijohdeteollisuudesta, oli, että sinun oli keksittävä tapa laittaa ne pääosin kaksiulotteiseen tasoon ja pienentää sitten ominaisuuden kokoa. Kumpikaan niistä pylväspohjaiset menetelmät olivat yhteensopivia sen kanssa, ja niin vuonna 2003 osoitimme, kuinka voit jakaa sekvenssit kaksiulotteisella tasolla ja kuvata ne sitten fluoresoivalla kuvantamisella, joka on nyt hallitseva tapa sekvensoida. Sitten vuonna 2004 osoitimme, että voit valmistaa DNA: n tasossa ja liu'uttaa sen sitten, ja sitten se voisi olla vielä kompaktimpi; joten kone oli vain väliaikainen paikka syntetisoida ne. Sitten voit tiivistää ne kolmiulotteiseksi esineeksi, joka oli miljoonia kertoja pienempi kuin normaali tietojen tallennus.

"Ne olivat todiste konseptinharjoituksista vuosina 2003 ja 2004. Vuonna 2012 me ja muut olimme parannaneet sekä DNA: n luku- että kirjoitusmenetelmiä, ja koonnin ne yhteen kokeiluun, jossa koodain kirjan, jonka olin juuri kirjoittanut DNA: hon, mukaan lukien kuvat, osoittaen, että periaatteessa mikä tahansa digitaalinen voidaan koodata DNA: lla."

Vaikka kustannukset ovat merkittävä este DNA: n varastoinnille, kirkko toteaa, että hinta on pudonnut jyrkästi tutkimuksen suorittamisen lyhyessä ajassa. DNA: n lukemisen kustannukset ovat parantuneet noin 3 miljoonaa kertaa, kun taas kirjoittamisen kustannukset ovat parantuneet miljardilla. Hän voi nähdä, että molemmat paranevat vielä miljoona kertaa vielä lyhyemmässä ajassa. Hän huomauttaa myös, että DNA-materiaalin kopiointi on melkein ilmaista, samoin kuin pitkäaikaisen varastoinnin kustannukset. Arkistointia varten tietojen lukemisen kustannukset eivät ole suuri este, koska suurta osaa arkistoidusta aineistosta ei koskaan lue, ja jotkut kohteet luetaan valikoivasti. Katso koko järjestelmän kustannuksia, hän neuvoo. Perinteiset säilytysmenetelmät liikkuvat Mooren lainopeudella ja tasoittuvat pian. Mutta DNA: n varastointitekniikka etenee Mooren lakia nopeammin, eikä siinä ole merkkejä platooinnista.

Arkisto- ja pilvitallennus on siellä, missä kirkko näkee DNA-tietojen tallentamisen ensin. Yrityksillä, kuten IBM, Microsoft ja Technicolor, on omat tutkimus- ja kehitysryhmät, jotka tutkivat aluetta, hän toteaa. Hän teki yhteistyötä Technicolorin kanssa vuonna 2015 tallentaakseen matka kuuhun , klassisen elokuvan 1902 -elokuvan, jonka uskottiin kadonneen, DNA: lle. Nyt Technicolorilla on monia DNA-kopioita, jotka yhdessä eivät ole suurempia kuin pölypilkku.

Kirkossa on 93 ihmisen laboratorio, joka työskentelee DNA: n varastointiin ja keskittyy tällä hetkellä kahteen tavoitteeseen. Ensimmäinen on parantaa nopeutta radikaalisti jaksoa kohden. Tiedot tallennetaan satoihin kerroksiin, kukin niin paksu kuin molekyyli. Jokainen lisäys vie tällä hetkellä kolme minuuttia, mutta kirkko uskoo, että se voidaan alentaa alle millisekunnin. Se on 200 000 kertaa nopeampaa, hän toteaa, ja tarkoittaa muutosta orgaanisesta kemiasta biokemiaan. Hän haluaa myös muuttaa lukemiseen ja kirjoittamiseen käytettyjen soittimien valmistustapaa pienentämään niitä. Tällä hetkellä ne ovat suurten jääkaappien kokoisia. Hän haluaa, että pienennetään.

Sisäinen redundanssi ja virheenkorjauksen tarve

Yksi tutkija, johon kirkon vuoden 2012 tieteellinen artikkeli vaikutti, on professori Olgica Milenkovic Illinoisin yliopistosta, Urbana-Champaign. Artikkelissa mainittiin koodauksen tarve, mikä herätti välittömästi hänen kiinnostuksensa. Koodaus tallennustutkimuksessa on tekniikka, jolla lisätään redundanssi tietoihin, redundanssi, jota voidaan myöhemmin käyttää korjaamaan virheitä, jotka ilmenevät luku- ja kirjoitusprosessin aikana. Katso esimerkki siitä, miksi tämä on tärkeää, katso täältä kaksi Citizen Kane -kuvaa. Milenkovicin joukkue koodasi molemmat DNA: han, ja sitten luettiin. Arvaa, mikä käytti redundanssia.

Olet oikeassa: Vasemmanpuoleinen kuva koodattiin redundanssilla, eikä oikeanpuoleinen kuva ollut.

Yksinkertainen tapa lisätä redundanssi on toistaa jokainen merkki asetetun määrän kertoja. Sen sijaan, että kirjoittaisit nollan, kirjoita se neljä kertaa. Se on raa'an voiman lähestymistapa - yksinkertainen, mutta todella tehoton. Milenkovicin työ on saman virheenkorjauksen saavuttaminen hienostuneemmalla tavalla. Siihen sisältyy tekniikoita, joita kutsutaan pariteettitarkistuiksi tai lineaarisiksi kongruenssitarkistuksiksi, jotta saadaan aikaan tapoja tarkistaa tiedot.

"Koko kentän tarkoituksena on auttaa sinua korjaamaan virheet, jos ne ilmenevät, tai mikä vielä parempi, välttämään virheitä, jotka tiedät todennäköisesti esiintyvän", Milenkovic sanoo. "Esittelemme valvotun redundanssin virheistä eroon pääsemiseksi. Hallittu redundanssi ei ole yksinkertaisen toiston muodossa, koska se on erittäin tehotonta."

Juuri se toi Milenkovicin kenttälle, mutta hänen tutkimuksensa on nyt DNA-synteesin valtavien kustannusten alentaminen.

"Opiskelijani, H. Tabatabae Yazdi, joka oli erittäin aktiivinen aiheesta, ja olen yrittänyt todella kovasti löytää älykäs tapa välttää DNA: n syntetisointi. DNA: n syntetisointi on ehdottoman pullonkaula tälle tekniikalle korkeiden kustannusten vuoksi. ", Milenkovic sanoo.

Vaikka Milenkovic pahoittelee paljastavan liikaa julkaisematonta tutkimusta, hänen ratkaisuunsa liittyy "ovela matemaattinen lähestymistapa" ja kyse on ajoituksesta, jolloin informaatiobittien välisen aikavälin koko on merkityksellinen.

"Jos et halua muodollisuutta, jota haluat käyttää ATGC: n avulla binäärisymbolien koodaamiseen tietyssä paikassa, voit keksiä paljon älykkäämpiä ja tehokkaampia keinoja tietojen tallennukseen, koska sinun ei tarvitse syntetisoida juosteita yhä uudelleen jälleen ", Milenkovic selittää. "Voit syntetisoida ne kerran tietyllä tavalla ja käyttää sitten uudelleen syntetisoitua DNA: ta älykkäästi yhdistelmämuodossa."

Milenkovic toivoo työllään vähentävänsä DNA: n syntetisointikustannuksia ainakin kolmeen kertaluokkaan. Se ei vieläkään riitä, hän toteaa, mutta se on edistystä. Se on myös osaltaan tutkimustyössä, jota hän pitää kiehtovana.

"Rehellisesti sanottuna on erittäin jännittävää pelata Jumalaa ja koodata omat tietosi DNA: han", Milenkovic sanoo. "Se antaa henkilölle jännityksen tunteen tietää, että pelaat valitun luonnon molekyylin kanssa ja saat sen tekemään mitä haluat tallentaa ja koodata ja välittää tietoa tulevaisuudelle."

Kassaa - mikä tahansa päivä nyt

Se ei ole kaikki kuiva pölyinen akateeminen tutkimus DNA: n varastoinnilla. Irlannissa toimiva Helixworks yrittää ansaita rahaa jo siitä. Sillä on tuote Amazonissa - eräänlainen.

"Käynnistimme Amazonilla, jotta saat 512 kt digitaalista dataa koodattua DNA: ksi", kertoo yrityksen perustaja Nimesh Pinnamaneni. "Se on jotain hyvin pientä. Ehkä kuva tai ehkä runo, jotain sellaista."

Se on epätavallinen hankinta, mutta se voi olla täydellinen rakkausmerkki henkilölle, jolla on kaikkea, varsinkin jos henkilö on tiedemies:

"Muistan yhden asiakkaan soittavan meille. Hän halusi lahjoittaa vaimonsa - he molemmat ovat bioteknologia - hän halusi lahjoittaa vaimonsa heidän hääpäivänään. Hän halusi laittaa viestin DNA: han ja lahjoittaa hänelle DNA: n", Pinnamaneni muistaa. "Hänen olisi sekvensoitava DNA lukeaksesi viestin. Se on melko monimutkainen tapa lähettää rakkausviesti, mutta ehkä se on söpö bioteknikkoille, tiedätkö?"

Mutta Helixworks meni hiukan eteenpäin lähettäessään tuotteitaan Amazoniin elokuussa 2016, ennen kuin se oli valmis täyttämään tilaukset. Kaksi ihmistä osti yrityksen 199 dollarin DNADrive -tuotteen - 14 karaatin kultakapselin, jossa oli DNA-klusteri - ennen kuin Helixworks pakotettiin poistamaan tuotteensa listalta. DNADrive on edelleen Amazonissa, mutta se ei ole ostettava.

Se ei tarkoita, että Helixworks olisi ohi, vain liian innokas. Se on tullut liian pitkälle pysähtymään nyt. Yhtiö aloitti Ruotsin Boråsin yliopistossa, missä Pinnamaneni (kuvassa yllä, vasen) ja Sachin Chalapati (oikealla), yhtiön toinen perustaja, olivat saamassa bioteknologian maisterin tutkintoa. He keräsivät varoja DNA-varastointitutkimukseen, jatkoivat työskentelyään takaisin kotona Bangaloressa, Intiassa, ja kehittivät todistuksen konseptista.

Lisävarojen hankkiminen toi heidät IndieBio-kiihdytinohjelmaan, jota johtaa SOSV, startup-riskipääomayritys San Franciscossa, Kaliforniassa. Ohjelma valitsi Helixworksin ja voitti 50 000 dollaria käteisellä sekä kyvyn työskennellä laboratoriosta Corkin kreivikunnassa, missä se on ollut viimeisen kuuden kuukauden ajan. Ohjelma sisältää mentoroinnin tuotteen nousussa, jonka Helixworks ottaa käyttöön tämän vuoden South by Southwest -festivaalilla, jossa se kilpailee piki-tapahtumassa.

Vaikka kultaisten DNA-kapselien kaataminen saattaa lopulta olla tuottoisa sivutoimisto, Pinnamaneni sanoo, että hänen yrityksensä tulevaisuus on kompakteissa kodin ja toimiston DNA-tulostimissa, joita se kehittää nyt. Hän haluaa tehdä DNA: n varastoinnista helppoa ja kohtuuhintaista kenen tahansa käytettäväksi.

"Arvelimme, että tarvitset jotain, joka toimii kuin tulostimen patruuna", Pinnamaneni selittää. "Sinulla on vain neljä väriä, ja nämä neljä väriä voidaan yhdistää minkä tahansa mahdollisen värin muodostamiseksi, eikö? Näin mustetulostimesi toimii. Arvelimme, että järjestelmässämme on oltava jotain tällaista. Suunnittelimme 32 reagenssin kasetin, joka voidaan yhdistää minkä tahansa mahdollisen DNA-sekvenssin muodostamiseksi."

Vaikka muut laboratoriot maksavat noin 30 000 dollaria joka kerta, kun he tarvitsevat DNA: n syntetisointia - toimenpide, jonka toteuttaminen vie viikkoja, Pinnamaneni sanoo, että keksintönsä voi vähentää kustannuksia ja aikaa dramaattisesti. Helixworks työskentelee tulostimen luomiseksi automatisoituja laboratoriolaitteita valmistavan yrityksen Opentrons kanssa. Sitä se tulee SXSW: llä.

"Se mitä näytämme expo-kerroksessa, on DNA-kirjoittaminen heti silmiesi edessä", Pinnamaneni sanoo.

Yhtiö ei ota tilauksia vielä. Ja se on hyvä, koska tuo romanttinen bioteknologia odottaa edelleen vuosipäivälahjaansa.