Perlu beberapa storan tambahan? cuba dna

Jurutera telah berjaya mendorong lebih banyak storan ke ruang yang lebih kecil selama beberapa dekad, tetapi itu tidak dapat diteruskan selama-lamanya. Lompat besar berikutnya dalam penyimpanan data boleh mengambil bentuk DNA di dalam semua bahan organik: Para saintis dalam makmal di seluruh negara sedang bereksperimen dengan DNA sintetik sebagai medium simpanan.

"Jika anda melihat di mana elektronik sedang berlaku, teknologi silikon, banyak teknologi asas yang kami gunakan untuk membina komputer hari ini, kami menghampiri had hampir semua, " kata Luis Henrique Ceze, profesor sains komputer dan kejuruteraan di University of Washington. "DNA sangat padat, ia sangat tahan lama, dan ia memerlukan kuasa yang sangat kecil untuk mengekalkan, jadi terdapat banyak kelebihan menggunakan DNA untuk penyimpanan data."

Ceze telah bekerjasama dengan Karin Strauss, penyelidik seni bina komputer dengan Microsoft Research, atas kerjasama antara dua institusi-sebuah projek yang menjejaki sains komputer dan biologi. Bagi sekumpulan 20 orang, universiti menyediakan ahli biologi molekul, dan Microsoft menyediakan saintis komputer.

Untuk memahami bagaimana DNA boleh digunakan untuk penyimpanan, pertimbangkan bahawa semua data komputer adalah perduaan, atau asas-2. DNA adalah asas-4, terdiri daripada adenina, sitosin, guanin, dan timin (disingkatkan sebagai A, C, G, dan T). Langkah pertama ialah menukarkan maklumat asas-2 ke pangkalan-4, jadi A sepadan dengan 00, C hingga 01, G hingga 10, dan T hingga 11 (yang menyederhanakan sedikit tetapi menyentuh idea itu).

Kemudian saintis menggunakan mesin yang dipanggil DNA synthesizer untuk menggabungkan empat bahan kimia dalam urutan yang betul. Hasilnya menyimpan maklumat berkali-kali sebagai cluster seperti garam yang lebih kecil dari ujung pensil. Membaca maklumat itu memerlukan pengatur DNA.

Walaupun ini mungkin terdengar seperti sesuatu yang rapuh yang mungkin meletup apabila pintu dibuka secara tiba-tiba-DNA adalah medium penyimpanan data terkuat yang telah kita lihat. Para saintis telah berjaya membaca DNA yang berusia ratusan ribu tahun.

DNA urutan melibatkan mengeluarkan sedikit bahan yang disimpan, dan prosesnya mengatasi sampel itu. Akibatnya, rakaman DNA boleh dibaca beberapa kali. Itu bukan masalah, walaupun, kerana bahan yang disimpan mempunyai data yang terlalu banyak; ia dapat disimpulkan berulang-ulang. Medium penyimpanan hari ini juga mempunyai bilangan siklus menulis dan baca yang terhad sebelum gagal, jadi ini bukan sesuatu yang baru.

Seperti yang ditunjukkan Ceze, DNA tidak akan menjadi usang. Walaupun ramai di antara kita mempunyai cakera liut di belakang laci yang kita tidak dapat lagi membaca, itu tidak akan menjadi nasib DNA. "Kami sentiasa mengambil berat tentang DNA untuk sains hayat dan sebab-sebab kesihatan, jadi anda sentiasa mempunyai cara untuk membaca maklumat yang disimpan dalam DNA, " kata Ceze.

Pada bulan Julai 2016, Microsoft dan University of Washington berjaya mengodkan 200MB data ke dalam bentuk DNA, mencatat rekod sebelumnya sebanyak 22MB. Menggunakan DNA, Strauss berkata, ia akan mungkin untuk menyimpan 1 exabyte data-iaitu 1 bilion GB dalam kiub 1 inci.

"Kami membuat anggaran berapa data yang boleh anda masukkan dalam jumlah tertentu, " kata Strauss. "Kami cuba untuk menganggarkan jumlah dagangan jika kami hari ini memutuskan untuk mengarkibkan keseluruhan Internet yang boleh diakses, yang bermaksud segala-galanya yang tidak ada di sebalik kata laluan atau apa-apa jenis dinding elektronik, dan kami datang dengan saiz shoebox besar."

Kedengarannya seperti cadangan jauh, tetapi Ceze percaya kita akan melihat sistem storan DNA komersil di pasaran dalam satu dekad. Mereka tidak akan berfungsi sama seperti penyimpanan mikropemproses, kerana DNA memerlukan persekitaran kimia basah untuk penciptaan, tetapi mereka akan menyediakan kapasiti besar dan akses rawak pada kelajuan yang sama yang disediakan sistem pita perusahaan sekarang.

Bidang Memajukan Segera

DNA telah wujud selama berbilion tahun, tetapi demonstrasi DNA sebagai teknologi penyimpanan yang boleh digunakan bermula pada tahun 1986 apabila penyelidik MIT Joe Davis mengodkan imej binari yang mudah ke dalam 28 pasang asas DNA.

Seorang lagi perintis dalam bidang ini ialah George Church, seorang profesor genetik yang bekerja di Harvard Medical School sejak tahun 1977 dan menjalankan makmalnya sendiri sejak tahun 1986. Gereja telah berminat untuk menurunkan kos membaca dan menulis DNA sejak tahun 1970-an, mempercayai bahawa suatu hari nanti mereka akan datang bersama-sama untuk membuat storan data praktikal. Dia menjadi berminat bekerja pada penyelidikan DNA sekitar 2000 dan melakukan ujian penjujukan dan sintesis kritikal pada tahun 2003 dan 2004. Menjelang 2012, beliau dapat meletakkan kedua-dua kawasan itu bersama-sama dan mewujudkan satu sistem untuk data pengekodan. Dia menulis karya itu dalam artikel 2012 yang berpengaruh dalam Sains .

"Sebelum 2003 dan '04, penjujukan dan sintesis dilakukan secara asasnya dalam kapilari-atau tiub kecil-di mana anda akan mempunyai satu tiub setiap urutan, " jelas Gereja. "Ia cukup manual dan tidak boleh diperkalakan. Pelajaran yang kami pelajari dari industri semikonduktor mikro adalah diperlukan untuk menghasilkan satu cara untuk meletakkannya pada dasarnya dalam satah dua dimensi dan kemudian menurunkan saiz ciri. Kaedah berasaskan lajur bersesuaian dengan itu, dan pada tahun 2003, kami menunjukkan bagaimana anda boleh mengedarkan urutan pada satah dua dimensi dan kemudian gambar mereka dengan pencitraan pendarfluor yang kini merupakan cara penjujukan yang dominan. Kemudian pada tahun 2004, kami menunjukkan bahawa anda boleh mengeluarkan DNA di atas kapal terbang dan kemudian slipnya, dan kemudian ia mungkin lebih padat, jadi pesawat itu hanyalah tempat sementara untuk mensintesiskannya. Kemudian anda boleh menyusunnya ke objek tiga dimensi yang berjuta-juta kali lebih padat daripada penyimpanan data biasa.

"Mereka adalah bukti latihan konsep pada tahun 2003 dan 2004. Pada tahun 2012, kami dan orang lain telah menapis kedua-dua kaedah membaca dan menulis untuk DNA, dan saya meletakkan mereka bersama-sama dalam satu percubaan di mana saya mengodkan sebuah buku yang baru saya tulis ke dalam DNA, termasuk gambar, menunjukkan bahawa pada dasarnya apa-apa yang digital boleh dikodkan dengan DNA."

Walaupun kos adalah halangan penting untuk penyimpanan DNA, nota Gereja menyatakan bahawa harga telah jatuh tajam dalam masa yang singkat bahawa penyelidikan telah dilakukan. Kos bacaan DNA telah meningkat kira-kira 3 juta kali ganda, sementara kos penulisan telah meningkat sebanyak satu bilion kali ganda. Dia dapat melihat kedua-duanya bertambah dengan satu juta kali ganda dalam masa yang lebih sedikit. Beliau juga menegaskan bahawa kos penyalinan bahan DNA hampir bebas, seperti kos simpanan jangka panjang. Untuk penyimpanan arkib, kos data bacaan bukanlah halangan yang besar, kerana banyak bahan arkib tidak pernah dibaca, dan beberapa item dibaca selektif. Lihatlah kos seluruh sistem, dia menasihati. Kaedah penyimpanan tradisional bergerak pada kelajuan Undang-undang Moore dan akan mendarat tidak lama lagi. Tetapi teknologi storan DNA bergerak lebih cepat daripada undang-undang Moore dan tidak menunjukkan tanda-tanda dataran tinggi.

Penyimpanan arkib dan awan adalah di mana Gereja melihat penyimpanan data DNA yang diterima pakai terlebih dahulu. Syarikat-syarikat termasuk IBM, Microsoft, dan Technicolor mempunyai pasukan penyelidikan dan pembangunan sendiri yang mempelajari kawasan tersebut, katanya. Beliau berkolaborasi dengan Technicolor pada tahun 2015 untuk menyimpan A Trip to the Moon , sebuah filem klasik 1902 yang pernah dipercayai hilang, kepada DNA. Sekarang Technicolor mempunyai banyak salinan DNA yang, digabungkan, tidak lebih besar daripada sebuku debu.

Gereja mempunyai makmal sebanyak 93 orang yang bekerja di penyimpanan DNA dan kini memberi tumpuan kepada dua matlamat. Yang pertama adalah dengan secara radikal meningkatkan kelajuan setiap kitaran. Maklumat disimpan dalam beratus-ratus lapisan, masing-masing setebal sebagai molekul. Setiap tambahan kini mengambil masa tiga minit, tetapi Gereja percaya bahawa boleh diturunkan kepada kurang daripada satu milisaat. Itu 200, 000 kali lebih cepat, dia nota, dan bermakna perubahan dari kimia organik kepada biokimia. Dia juga ingin menukar cara instrumen yang digunakan untuk membaca dan menulis dibuat untuk menjadikannya lebih kecil. Pada masa ini, mereka adalah saiz peti sejuk besar. Dia mahu yang dikecilkan.

Terbina dalam Redundansi dan Keperluan Pembetulan Ralat

Seorang penyelidik yang dipengaruhi oleh artikel Sains Gereja 2012 ialah profesor Olgica Milenkovic dari University of Illinois, Urbana-Champaign. Artikel itu menyebutkan keperluan untuk pengekodan, yang dengan segera mencetuskan minatnya. Pengkodan dalam penyelidikan storan adalah teknik untuk menambahkan kelebihan kepada data, redundansi yang kemudiannya boleh digunakan untuk membetulkan kesilapan yang berlaku semasa proses membaca dan menulis. Untuk contoh mengapa ini penting, lihat gambar Citizen Kane di sini. Kedua-duanya dikodkan dalam DNA oleh pasukan Milenkovic dan kemudian dibaca. Tebak mana yang digunakan redundansi.

Anda betul: Imej kiri adalah dikodkan dengan redundansi, dan imej kanan tidak.

Cara mudah untuk menambahkan redundansi adalah mengulangi setiap watak sebilangan kali. Daripada menulis 0, tuliskannya empat kali. Itulah pendekatan kekerasan-mudah tetapi sangat tidak cekap. Kerja Milenkovic adalah mengenai mencapai pembetulan kesilapan yang sama dengan cara yang lebih canggih. Ia melibatkan teknik yang dikenali sebagai pemeriksaan pariti atau pemeriksaan kongruen linier untuk menyediakan cara untuk mengesahkan data.

"Seluruh bidang, pada asasnya membantu anda membetulkan kesilapan jika ia muncul atau, lebih baik, elakkan kesilapan yang anda tahu mungkin kelihatan, " kata Milenkovic. "Kami memperkenalkan redundansi terkawal untuk menghilangkan kesilapan, dan pengurangan yang dikawal itu bukan dalam bentuk pengulangan mudah, kerana itu sangat tidak berkesan."

Inilah yang membawa Milenkovic ke dalam bidang, tetapi penyelidikannya sekarang adalah mengenai mengurangkan kos sintesis DNA yang besar.

"Murid saya, H. Tabatabae Yazdi, yang sangat aktif dalam topik ini, dan saya telah berusaha keras untuk menghasilkan cara yang bijak untuk mengelakkan DNA sintesis. Synthesizing DNA adalah benar-benar kemacetan untuk teknologi ini kerana kos yang tinggi, "Kata Milenkovic.

Walaupun Milenkovic cenderung mengungkapkan terlalu banyak tentang penyelidikan yang tidak diterbitkan, penyelesaiannya melibatkan "pendekatan matematik yang licik" dan semuanya tentang masa, di mana ukuran selang antara bit maklumat bermakna.

"Jika anda mengetepikan dengan formaliti yang anda ingin gunakan ATGCs untuk benar-benar mengodkan simbol binari di lokasi tertentu, anda boleh menghasilkan cara menyimpan lebih bijak dan lebih cekap untuk menyimpan maklumat, kerana anda tidak perlu mensintesis helaian berulang-ulang sekali lagi, "jelas Milenkovic. "Anda boleh mensintesis mereka sekali dalam cara tertentu dan kemudian menggunakan semula DNA yang disintesis itu dalam fesyen gabungan kombinatif."

Melalui karyanya, Milenkovic berharap dapat memacu kos sintesis DNA sekurang-kurangnya tiga pesanan magnitud. Itu masih tidak mencukupi, dia nota, tetapi ia kemajuan. Ia juga menyumbang kepada garis penyelidikan yang dia dapati menarik.

"Ia sangat menarik, bersikap jujur, memainkan Tuhan dan menyandikan maklumat anda sendiri dalam DNA, " kata Milenkovic. "Ia memberikan seseorang perasaan keseronokan untuk mengetahui bahawa anda bermain dengan molekul alam yang dipilih dan membuatnya melakukan apa yang anda mahu menyimpan dan menyandikan dan menyampaikan maklumat kepada masa depan."

Tunai Dalam Setiap Hari Kini

Ia bukan semua penyelidikan akademik berdebu kering dengan penyimpanan DNA. Helixworks, sebuah syarikat yang berpangkalan di Ireland, sedang berusaha untuk membuat wang dari itu. Ia mempunyai produk di Amazon-jenis.

"Kami melancarkan Amazon supaya anda boleh mendapatkan 512KB data digital yang dikodkan ke dalam DNA, " jelas Nimesh Pinnamaneni, pengasas syarikat. "Ia sesuatu yang sangat kecil, mungkin gambar atau mungkin puisi, seperti itu."

Ia adalah pembelian yang luar biasa, tetapi ia boleh menjadi tanda kasih sayang yang sempurna untuk orang yang mempunyai segala-galanya, terutama jika orang itu seorang saintis:

"Saya masih ingat seorang pelanggan yang memanggil kami, dia mahu memberi hadiah kepada isterinya-kedua-duanya adalah ahli bioteknologi-dia mahu memberi hadiah kepada isterinya pada ulang tahun perkahwinan mereka. Dia ingin menghantar mesej dalam DNA dan memberi hadiah DNA kepadanya, " kata Pinnamaneni. "Dia perlu menyusun DNA untuk membaca mesej itu. Ini cara yang agak rumit untuk menghantar mesej cinta, tetapi mungkin lucu untuk ahli bioteknologi, anda tahu?"

Tetapi Helixworks mendapat sedikit di hadapan sendiri menyiarkan produknya di Amazon pada bulan Ogos 2016, sebelum ia siap untuk memenuhi pesanan. Dua orang telah membeli $ 199 DNADrive syarikat itu-kapsul emas 14 karat dengan sekumpulan DNA di dalam-sebelum Helixworks dipaksa untuk menyekat produknya. DNADrive masih di Amazon, tetapi ia tidak dibeli.

Itu tidak bererti Helixworks sudah berakhir, hanya berminat. Ia terlalu jauh untuk berhenti sekarang. Syarikat itu bermula di Universiti Borås di Sweden, di mana Pinnamaneni (gambar di atas, kiri) dan Sachin Chalapati (kanan), pengasas bersama syarikat lain, memperoleh ijazah sarjana dalam bidang bioteknologi. Mereka mengumpul dana untuk penyelidikan simpanan DNA, meneruskan kerja mereka pulang ke Bangalore, India, dan membangunkan bukti konsep.

Peluang untuk mendapatkan dana tambahan membawa mereka ke program pemecut IndieBio yang dikendalikan oleh SOSV, firma permodalan permulaan di San Francisco, California. Helixworks dipilih oleh program ini dan memenangi wang tunai $ 50, 000 dan keupayaan untuk bekerja dari sebuah makmal di County Cork, di mana ia selama enam bulan yang lalu. Program ini merangkumi mentoring untuk melancarkan produk, yang akan digunakan oleh Helixworks pada tahun ini di Selatan oleh festival Barat Daya, di mana ia akan bersaing dalam acara pitch.

Semasa memaksimumkan kapsul DNA emas akhirnya akan menjadi satu sampingan yang menguntungkan, Pinnamaneni berkata masa depan syarikatnya adalah di rumah ringkas dan pencetak DNA pejabat yang sedang berkembang sekarang. Dia mahu menjadikan penyimpanan DNA mudah dan mampu dimiliki oleh sesiapa sahaja untuk digunakan.

"Kami mendapati anda perlu mempunyai sesuatu yang berfungsi seperti kartrij dalam pencetak, " jelas Pinnamaneni. "Anda hanya mempunyai empat warna, dan empat warna ini boleh bergabung untuk membentuk warna apa pun, betul-betul seperti itu, bagaimana pencetak dakwat anda berfungsi, kami fikir kami perlu mempunyai sesuatu seperti itu dalam sistem kami. boleh digabungkan untuk membentuk sebarang urutan DNA."

Walaupun makmal-makmal lain membayar kira-kira $ 30, 000 setiap kali mereka perlu mempunyai DNA yang disintesis, satu operasi yang mengambil masa beberapa minggu untuk mencapai, Pinnamaneni mengatakan penemuannya dapat membawa kos dan masa turun secara dramatik. Helixworks bekerja dengan Opentrons, sebuah syarikat yang membuat peralatan makmal automatik, untuk mencipta pencetak. Inilah yang akan ditimbulkan di SXSW.

"Apa yang akan kami tunjuk di lantai ekspo ialah penulisan DNA tepat di depan mata anda, " kata Pinnamaneni.

Syarikat itu tidak akan mengambil pesanan apa pun. Dan itu bagus, kerana ahli bioteknologi romantis itu masih menunggu hadiah ulang tahunnya.