Potrebujete ďalšie úložisko? skúste dna

Inžinieri už desiatky rokov úspešne tlačia viac úložného priestoru do menších priestorov, ale to nemôže trvať večne. Ďalší veľký skok v ukladaní údajov by mohol mať podobu DNA vo všetkých organických látkach: Vedci v laboratóriách v celej krajine experimentujú so syntetickou DNA ako úložným médiom.

„Ak sa pozriete na to, kam smeruje elektronika, kremíková technológia, veľa základných technológií, ktoré dnes používame pri stavbe počítačov, blížime sa k limitu takmer vo všetkých z nich, “ hovorí Luis Henrique Ceze, docent počítačovej vedy a strojárstvo na University of Washington. „DNA je veľmi hustá, je veľmi trvanlivá a jej údržba si vyžaduje len veľmi malú silu, takže je tu veľa výhod použitia DNA na ukladanie údajov.“

Ceze spolupracuje s Karinom Straussom, výskumníkom počítačovej architektúry v spoločnosti Microsoft Research, na spolupráci medzi týmito dvoma inštitúciami - projektom, ktorý premosťuje informatiku a biológiu. Univerzita poskytuje tím približne 20 ľudí molekulárnych biológov a spoločnosť Microsoft poskytuje počítačoví vedci.

Aby ste pochopili, ako by sa DNA mohla použiť na ukladanie, zvážte, či sú všetky počítačové údaje binárne alebo bázické. DNA je báza-4, pozostávajúca z adenínu, cytozínu, guanínu a tymínu (skrátene A, C, G a T). Prvým krokom je prevádzanie informácií z bázy-2 na bázu-4, takže A zodpovedá 00, C až 01, G na 10 a T na 11 (čo ich trochu zjednodušuje, ale prechádza touto myšlienkou).

Vedci potom používajú stroj zvaný syntetizátor DNA na spojenie štyroch chemikálií v správnom poradí. Výsledok ukladá informácie mnohokrát ako klaster podobný soli, ktorý je menší ako špička ceruzky. Načítanie týchto informácií si vyžaduje sekvencer DNA.

Aj keď to môže znieť krehko - ako niečo, čo by sa mohlo odraziť, keď sa náhle otvoria dvere - DNA je najsilnejšie médium na ukladanie údajov, aké sme kedy videli. Vedci úspešne prečítali DNA, ktorá je stará stovky tisíc rokov.

Sekvenovanie DNA zahŕňa odstránenie malého množstva uloženého materiálu a proces vyčerpá túto vzorku. V dôsledku toho možno záznam DNA prečítať konečne viackrát. To však nie je problém, pretože uložený materiál má toľko redundantných údajov; môže sa odobrať vzorky znova a znova. Dnešné pamäťové médiá majú tiež obmedzený počet cyklov zápisu a čítania skôr, ako zlyhajú, takže to nie je nič nové.

Ako zdôrazňuje Ceze, DNA nebude nikdy zastaraná. Aj keď mnohí z nás majú na zadnej strane zásuvky diskety, ktoré už nedokážeme prečítať, nebude to osud DNA. „Vždy sa budeme starať o DNA z biologických vied a zo zdravotných dôvodov, takže vždy budete mať spôsob čítania informácií uložených v DNA, “ hovorí Ceze.

V júli 2016 Microsoft a University of Washington úspešne zakódovali 200MB údajov do formy DNA, čím prekonali predchádzajúci záznam 22MB. Strauss hovorí, že pomocou DNA bude možné uložiť 1 exabajt údajov - to je 1 miliarda GB - do 1-palcovej kocky.

„Odhadli sme, koľko údajov by ste mohli vložiť do konkrétneho zväzku, “ hovorí Strauss. „Pokúsili sme sa odhadnúť, aký by bol objem, keby sme sa dnes rozhodli archivovať celý prístupný internet, čo znamená všetko, čo nie je za heslom ani akýmkoľvek druhom elektronickej steny, a prišli sme s veľkosťou veľkej škatuľky na topánky.“

Znie to ako ďalekosiahly návrh, ale Ceze verí, že za desať rokov uvidíme na trhu komerčné systémy na uchovávanie DNA. Nebudú fungovať presne ako mikroprocesorové úložisko, pretože DNA vyžaduje na vytvorenie mokré chemické prostredie, ale poskytnú obrovskú kapacitu a náhodný prístup pri rovnakých rýchlostiach, aké poskytujú podnikové páskové systémy teraz.

Rýchlo postupujúce pole

DNA je už okolo miliárd rokov, ale demonštrácie DNA ako použiteľnej technológie ukladania údajov sa začali v roku 1986, keď výskumník MIT Joe Davis zakódoval jednoduchý binárny obraz do 28 bázových párov DNA.

Ďalším priekopníkom v tejto oblasti je George Church, profesor genetiky, ktorý pracuje na Harvardskej lekárskej škole od roku 1977 a prevádzkuje svoje vlastné laboratórium od roku 1986. Cirkev sa zaujíma o zníženie nákladov na čítanie a písanie DNA od 70. rokov minulého storočia, veriac, že ​​jedného dňa Zišli by sa, aby vytvorili praktické úložisko údajov. Okolo roku 2000 sa začal zaujímať o výskum DNA a v rokoch 2003 a 2004 vykonal kritické testy sekvenovania a syntézy. Do roku 2012 bol schopný spojiť obidve oblasti a vytvoriť systém na kódovanie údajov. Napísal túto prácu v vplyvnom článku z roku 2012 v oblasti vedy .

„Pred rokom 2003 a rokom04 sa sekvenovanie a syntéza uskutočňovali hlavne v kapilároch - alebo malých skúmavkách - kde by ste mali jednu skúmavku na sekvenciu, “ vysvetľuje Church. „Bola to celkom manuálna a nie škálovateľná lekcia. Lekciu, ktorú sme sa poučili z odvetvia výroby polovodičov v mikrofabrikáciách, bolo, že ste museli prísť s spôsobom, ako ich umiestniť v podstate do dvojrozmernej roviny a potom zmenšiť veľkosť prvku. Ani jeden z nich metódy založené na stĺpcoch boli s tým kompatibilné, a tak sme v roku 2003 ukázali, ako by ste mohli distribuovať sekvencie na dvojrozmernej rovine a potom ich zobraziť pomocou fluorescenčného zobrazovania, ktoré je teraz dominantným spôsobom sekvencovania. Potom sme v roku 2004 ukázali, že mohli by ste vyrobiť DNA v lietadle a potom ju skĺznuť a potom by to mohlo byť ešte kompaktnejšie, takže lietadlo bolo iba dočasné miesto na ich syntetizáciu. Potom ste ich mohli zhutniť do trojrozmerného objektu, ktorý bol miliónkrát kompaktnejšie ako bežné ukladanie údajov.

„Boli to dôkazy o koncepčných cvičeniach v rokoch 2003 a 2004. V roku 2012 sme my a ďalší zdokonalili metódy čítania aj písania pre DNA a dal som ich do jedného experimentu, kde som zakódoval knihu, ktorú som práve napísal do DNA, vrátane obrázkov, ktoré ukazujú, že v podstate všetko, čo je digitálne, sa dá kódovať pomocou DNA. ““

Aj keď cena predstavuje značnú prekážku pre ukladanie DNA, Church poznamenáva, že cena sa prudko znížila v krátkom čase, keď sa výskum uskutočnil. Náklady na čítanie DNA sa zlepšili približne 3 miliónkrát, zatiaľ čo náklady na písanie sa zlepšili miliónkrát. Vidí, ako sa vylepšenia zlepšujú o ďalší miliónkrát za ešte kratšiu dobu. Poukazuje tiež na to, že náklady na kopírovanie materiálu DNA sú takmer bezplatné, rovnako ako náklady na dlhodobé skladovanie. V prípade archivácie nie sú náklady na čítanie údajov veľkou prekážkou, pretože veľa archivovaných materiálov sa nikdy nečíta a niektoré položky sa čítajú selektívne. Pozrite sa na náklady celého systému, radí. Tradičné spôsoby skladovania sa pohybujú rýchlosťou Mooreovho zákona a čoskoro sa ustália. Technológia ukladania DNA sa však pohybuje rýchlejšie ako Mooreov zákon a nevykazuje žiadne známky plató.

Archivácia a ukladanie v cloude je miestom, kde cirkev vidí, že sa ukladanie údajov o DNA prijíma najskôr. Spoločnosti vrátane IBM, Microsoft a Technicolor majú vlastné výskumné a vývojové tímy, ktoré študujú túto oblasť. Spolupracoval s Technicolom v roku 2015 na uložení filmu Trip Trip na Mesiac , klasického filmu z roku 1902, ktorý bol podľa všetkého stratený, na DNA. Technicolor má teraz veľa kópií DNA, ktoré dohromady nie sú väčšie ako škvrna prachu.

Cirkev má laboratórium 93 ľudí, ktorí pracujú na uchovávaní DNA a v súčasnosti sa zameriavajú na dva ciele. Prvým je radikálne zlepšenie rýchlosti za cyklus. Informácie sú uložené v stovkách vrstiev, z ktorých každá je hrubá ako molekula. Každý dodatok v súčasnosti trvá tri minúty, ale cirkev verí, že to môže byť zredukované na menej ako jednu milisekundu. Je to 200 000-krát rýchlejšie, poznamenáva, a znamená zmenu z organickej chémie na biochémiu. Chce tiež zmeniť spôsob výroby nástrojov používaných na čítanie a písanie, aby boli oveľa menšie. V súčasnosti majú veľkosť veľkých chladničiek. Chce to zmenšiť.

Zabudovaná redundancia a potreba opravy chýb

Jedným z výskumných pracovníkov, ktorých ovplyvnil článok o vede z roku 2012, je profesorka Olgica Milenkovic z University of Illinois, Urbana-Champaign. Článok sa zmienil o potrebe kódovania, čo okamžite vyvolalo jej záujem. Kódovanie vo výskume úložného priestoru je technika na pridávanie redundancie k údajom, ktorá sa neskôr môže použiť na opravu chýb, ktoré sa vyskytnú počas procesu čítania a zápisu. Príklad toho, prečo je to dôležité, nájdete tu na dvoch obrázkoch Citizen Kane. Obaja boli kódovaní do DNA tímom Milenkovic a potom prečítaní. Hádajte, ktorý z nich použil nadbytočnosť.

Máte pravdu: Ľavý obrázok bol kódovaný redundanciou a pravý obrázok nebol.

Jednoduchý spôsob, ako pridať nadbytočnosť, je opakovať každý znak v množine, koľkokrát. Namiesto písania 0, napíšte to štyrikrát. To je prístup hrubou silou - jednoduchý, ale strašne neefektívny. Milenkovičova práca je o tom, aby sa rovnaká korekcia chýb dosiahla sofistikovanejším spôsobom. Zahŕňa techniky nazývané kontroly parity alebo kontroly lineárnej kongruencie s cieľom poskytnúť spôsoby overenia údajov.

„Celé pole je v podstate o tom, ako pomôcť opraviť chyby, ak sa vyskytnú, alebo ešte lepšie, vyhnúť sa chybám, o ktorých viete, že sa veľmi pravdepodobne objavia, “ hovorí Milenkovic. „Zaviedli sme kontrolovanú redundanciu, aby sme sa zbavili chýb a táto kontrolovaná redundancia nemá podobu jednoduchého opakovania, pretože je to veľmi neefektívne.“

To je to, čo priviedlo Milenkovic na pole, ale jej výskum sa teraz zameriava na zníženie obrovských nákladov na syntézu DNA.

„Môj študent, H. Tabatabae Yazdi, ktorý bol v tejto téme veľmi aktívny, a ja som sa veľmi usilovne snažil vymyslieť inteligentný spôsob, ako sa vyhnúť syntéze DNA. Syntéza DNA je pre túto technológiu z hľadiska vysokých nákladov prekážkou., “Hovorí Milenkovic.

Aj keď Milenkovic rozpráva príliš veľa o nepublikovanom výskume, jej riešenie zahŕňa „prefíkané matematické prístupy“ a týka sa iba načasovania, pričom veľkosť intervalu medzi bitmi informácií má zmysel.

„Ak sa vyhýbate formalite, ktorú chcete použiť na ATGC na skutočné kódovanie binárnych symbolov na určitom mieste, môžete prísť s oveľa inteligentnejším a efektívnejším spôsobom ukladania informácií, pretože nemusíte znova a znovu syntetizovať prvky. znova, “vysvetľuje Milenkovic. „Môžete ich syntetizovať určitým spôsobom a potom znovu použiť túto syntetizovanú DNA inteligentným kombinatorickým spôsobom.“

Milenkovic dúfa, že svojou prácou zníži náklady na syntézu DNA o najmenej tri rády. To stále nestačí, poznamenáva, ale je to pokrok. Prispieva tiež k rade výskumov, ktoré považuje za fascinujúce.

„Je veľmi vzrušujúce, aby som bol úprimný, hrať Boha a zakódovať svoje vlastné informácie do DNA, “ hovorí Milenkovic. „Dáva človeku pocit vzrušenia, keď viem, že hráte s vybranou molekulou prírody a robí to tým, čo chcete ukladať a kódovať a sprostredkovať informácie do budúcnosti.“

Preplatenie - každý deň

Nie je to všetko suché prašné akademické výskumy s ukladaním DNA. Helixworks, spoločnosť so sídlom v Írsku, sa už snaží z toho zarobiť peniaze. Má produkt na Amazone - druh.

„Spustili sme program Amazon, aby ste mohli získať 512 kB digitálnych údajov kódovaných do DNA, “ vysvetľuje spoluzakladateľ spoločnosti Nimesh Pinnamaneni. „Je to niečo veľmi malé. Možno obrázok alebo báseň, niečo také.“

Je to neobvyklý nákup, ale mohlo by to byť perfektné znamenie lásky pre osobu, ktorá má všetko, najmä ak je táto osoba vedec:

„Pamätám si, že nás volá jeden zákazník. Chcel darovať svojej manželke - obaja sú biotechnológovia - chcel darovať svojej manželke výročie svadby. Chcel vložiť správu do DNA a dať jej DNA, “ spomína si Pinnamaneni. „Na prečítanie správy by musela sekvenovať DNA. Je to dosť komplikovaný spôsob, ako poslať milostnú správu, ale možno je to pre biotechnológov roztomilé, viete?“

Helixworks sa však v auguste 2016 trochu posunula pred tým, ako svoj produkt uviedla na Amazon, predtým, ako bola pripravená plniť objednávky. Dvaja ľudia si kúpili DNADrive spoločnosti 199 dolárov - 14-karátovú zlatú kapsulu so zhlukom DNA vo vnútri - predtým, ako bola Helixworks nútená vyradiť svoj produkt. DNADrive je stále na Amazone, ale nedá sa kúpiť.

To neznamená, že Helixworks je u konca, len príliš dychtivá. Je príliš ďaleko na to, aby sme zastavili hneď teraz. Spoločnosť začala na univerzite v Borås vo Švédsku, kde Pinnamaneni (obrázok hore, vľavo) a Sachin Chalapati (vpravo), ďalší spoluzakladateľ spoločnosti, získali magisterské štúdium v ​​odbore biotechnológie. Získali finančné prostriedky na výskum v oblasti ukladania DNA, pokračovali vo svojej práci po návrate domov v indickom Bangalore a vyvinuli dôkaz koncepcie.

Obsadenie ďalších finančných prostriedkov ich priviedlo do programu urýchľovača IndieBio, ktorý prevádzkuje spoločnosť SOSV, začínajúca spoločnosť rizikového kapitálu v San Franciscu v Kalifornii. Helixworks bol vybraný programom a získal 50 000 dolárov v hotovosti a schopnosť pracovať z laboratória v grófstve Cork, kde to bolo posledných šesť mesiacov. Program zahŕňa inštruktáž o prezentácii produktu, ktorý Helixworks využije na tohtoročnom festivale South by Southwest, kde bude súťažiť na ihrisku.

Zatiaľ čo vyfukovanie zlatých kapsúl DNA môže byť nakoniec lukratívnym vedľajším produktom, Pinnamaneni hovorí, že budúcnosť jeho spoločnosti je v kompaktných domácich a kancelárskych DNA tlačiarňach, ktoré sa teraz vyvíja. Chce, aby ukladanie DNA bolo také ľahké a dostupné, aby ho niekto mohol používať.

„Zistili sme, že v tlačiarni musíte mať niečo, čo funguje ako kazeta, “ vysvetľuje Pinnamaneni. „Máte iba štyri farby a tieto štyri farby sa môžu spojiť, aby vytvorili akúkoľvek možnú farbu, nie? Takto funguje vaša atramentová tlačiareň. Zistili sme, že v našom systéme potrebujeme niečo také. Navrhli sme kazetu s 32 činidlami, ktoré môžu byť kombinované tak, aby vytvorili akúkoľvek možnú sekvenciu DNA."

Zatiaľ čo iné laboratóriá platia približne 30 000 dolárov zakaždým, keď potrebujú syntetizovať DNA, čo je operácia, ktorá trvá týždne, Pinnamaneni tvrdí, že jeho vynález môže dramaticky znížiť náklady a čas. Helixworks spolupracuje s Opentrons, spoločnosťou, ktorá vyrába automatizované laboratórne vybavenie, na vytvorení tlačiarne. To je to, čo sa prednesie na SXSW.

„Na výstavisku budeme demonštrovať písanie DNA priamo pred vašimi očami, “ hovorí Pinnamaneni.

Spoločnosť zatiaľ nebude prijímať žiadne objednávky. A to je dobré, pretože tento romantický biotechnológ stále čaká na svoj výročný dar.