Potřebujete nějaké další úložiště? zkuste dna

Inženýři úspěšně tlačí více úložiště do menších prostor po celá desetiletí, ale to nemůže pokračovat navždy. Další velký skok v ukládání dat by mohl mít podobu DNA uvnitř všech organických látek: Vědci v laboratořích po celé zemi experimentují se syntetickou DNA jako úložným médiem.

„Pokud se podíváte na to, kam jde elektronika, křemíková technologie, spousta základních technologií, které dnes používáme při stavbě počítačů, blížíme se k limitu téměř ve všech z nich, “ říká Luis Henrique Ceze, docent počítačové vědy a inženýrství na University of Washington. „DNA je velmi hustá, je velmi trvanlivá a její údržba vyžaduje jen velmi malou sílu, takže použití DNA pro ukládání dat má mnoho výhod.“

Ceze spolupracuje s Karinem Straussem, výzkumníkem počítačové architektury s Microsoft Research, na spolupráci mezi oběma institucemi - projektem, který spojuje informatiku a biologii. Univerzita poskytuje tým přibližně 20 lidí molekulárním biologům a společnost Microsoft poskytuje počítačové vědce.

Chcete-li pochopit, jak lze DNA použít k ukládání, zvažte, že všechna počítačová data jsou binární, nebo base-2. DNA je báze-4, složená z adeninu, cytosinu, guaninu a thyinu (zkráceně A, C, G a T). Prvním krokem je převod informací báze 2 na bázi 4, takže A odpovídá 00, C na 01, G na 10 a T na 11 (což je trochu zjednodušuje, ale přes myšlenku se dostane).

Vědci pak používají stroj zvaný syntetizátor DNA ke spojení čtyř chemikálií ve správném pořadí. Výsledek ukládá informace mnohokrát jako seskupení podobné soli, které je menší než špička tužky. Přečtení této informace vyžaduje sekvencer DNA.

I když to může znít křehce - jako něco, co by mohlo vyhodit, když se dveře náhle otevřou - DNA je nejsilnější médium pro ukládání dat, jaké jsme kdy viděli. Vědci úspěšně přečetli DNA, která je stará stovky tisíc let.

Sekvenování DNA zahrnuje odstranění malého množství uloženého materiálu a proces vyčerpává tento vzorek. V důsledku toho může být záznam DNA přečten konečně několikrát. To však není problém, protože uložený materiál má tolik nadbytečných dat; to může být vzorkováno znovu a znovu. Dnešní paměťová média mají také omezený počet cyklů zápisu a čtení dříve, než dojde k jejich selhání, takže to není nic nového.

Jak Ceze zdůrazňuje, DNA nebude nikdy zastaralá. I když mnozí z nás mají v zadní části zásuvky diskety, které již nedokážeme číst, nebude to osud DNA. „Vždy se budeme starat o DNA z biologických věd a ze zdravotních důvodů, takže budete mít vždy možnost číst informace uložené v DNA, “ říká Ceze.

V červenci 2016 Microsoft a University of Washington úspěšně zakódovaly 200 MB dat do formy DNA, čímž dosáhly nejlepších výsledků z předchozího záznamu 22 MB. Strauss říká, že pomocí DNA bude možné uložit 1 exabyte dat - to je 1 miliarda GB - do 1 palcové krychle.

„Odhadli jsme, kolik dat byste mohli vložit do určitého svazku, “ říká Strauss. "Pokusili jsme se odhadnout, jaký by byl objem, kdybychom se dnes rozhodli archivovat celý přístupný internet, což znamená všechno, co není za heslem ani jakýmkoli druhem elektronické zdi, a přišli jsme s velikostí velké krabičky na boty."

Zní to jako vzdálený návrh, ale Ceze věří, že za deset let uvidíme na trhu komerční systémy pro ukládání DNA. Nebudou fungovat přesně jako mikroprocesorové úložiště, protože DNA vyžaduje vytvoření vlhkého chemického prostředí, ale poskytne masivní kapacitu a náhodný přístup při stejných rychlostech, jaké nyní poskytují podnikové páskové systémy.

Rychle postupující pole

DNA je už po miliardy let, ale demonstrace DNA jako použitelné technologie ukládání začaly v roce 1986, kdy výzkumník MIT Joe Davis zakódoval jednoduchý binární obraz do 28 párů DNA.

Dalším průkopníkem v této oblasti je George Church, profesor genetiky, který pracuje na Harvardské lékařské fakultě od roku 1977 a provozuje vlastní laboratoř od roku 1986. Církev se zajímala o snížení nákladů na čtení a psaní DNA od 70. let 20. století a věří, že jednoho dne společně by vytvořili praktické ukládání dat. Kolem roku 2000 se začal zajímat o výzkum DNA a v letech 2003 a 2004 provedl kritické testy sekvenování a syntézy. Do roku 2012 byl schopen spojit obě oblasti a vytvořit systém pro kódování dat. Tuto práci napsal ve vlivném článku z roku 2012 ve vědě .

"Před rokem 2003 a '04 se sekvenování a syntéza prováděly v podstatě v kapilárách - nebo malých zkumavkách - kde byste měli jednu zkumavku na sekvenci, " vysvětluje Church. „Bylo to docela manuální a neměnitelné. Lekcí, kterou jsme se poučili z průmyslu polovodičů v mikrofabrikacích, bylo, že jste museli přijít na způsob, jak je umístit v podstatě do dvourozměrné roviny a poté zmenšit velikost prvku. Ani jeden z nich metody založené na sloupcích s tím byly kompatibilní, a tak jsme v roce 2003 ukázali, jak byste mohli distribuovat sekvence v dvourozměrné rovině a poté je zobrazovat pomocí fluorescenčního zobrazování, které je nyní dominantním způsobem sekvenování. Poté jsme v roce 2004 ukázali, že mohli byste vyrobit DNA v rovině a poté ji sklouznout, a pak by to mohlo být ještě kompaktnější, takže letadlo bylo jen dočasné místo pro jejich syntézu. Pak byste je mohli zhutnit do trojrozměrného objektu, který byl milionkrát kompaktnější než běžné ukládání dat.

„To byl důkaz koncepčních cvičení v letech 2003 a 2004. V roce 2012 jsme my a ostatní zdokonalili metody čtení i psaní pro DNA a já je dal dohromady do jednoho experimentu, kde jsem zakódoval knihu, kterou jsem právě napsal do DNA, včetně obrázků, což ukazuje, že v podstatě cokoli, co je digitální, by bylo možné kódovat pomocí DNA. “

Přestože cena je významnou překážkou pro ukládání DNA, církev poznamenává, že cena se v krátkém čase, kdy byl proveden výzkum, prudce snížila. Náklady na čtení DNA se zlepšily asi 3 miliony krát, zatímco náklady na psaní se zlepšily o miliardkrát. Vidí, jak se obě zlepšují o další milionkrát za méně času. Zdůrazňuje také, že náklady na kopírování materiálu DNA jsou téměř zdarma, stejně jako náklady na dlouhodobé skladování. U archivního úložiště nejsou náklady na čtení dat velkou překážkou, protože mnoho archivovaných materiálů se nikdy nečte a některé položky se čtou selektivně. Podívejte se na náklady celého systému, radí. Tradiční způsoby skladování se pohybují rychlostí Mooreova zákona a brzy se vynoří. Technologie ukládání DNA se však pohybuje rychleji než Mooreův zákon a nevykazuje žádné známky plató.

Archivace a cloudové úložiště je místo, kde církev vidí, že ukládání dat DNA je přijato jako první. Společnosti včetně IBM, Microsoft a Technicolor mají své vlastní výzkumné a vývojové týmy, které studují oblast, poznamenává. V roce 2015 spolupracoval s Technicolor na uložení filmu Trip Trip na Měsíc , klasického filmu z roku 1902, který byl kdysi považován za ztracený, do DNA. Technicolor má nyní mnoho kopií DNA, které dohromady nejsou větší než skvrna prachu.

Církev má laboratoř 93 lidí pracujících na ukládání DNA a v současné době se zaměřuje na dva cíle. Prvním je radikálně zlepšit rychlost na cyklus. Informace jsou uloženy ve stovkách vrstev, každá silná jako molekula. Každý přírůstek v současné době trvá tři minuty, ale církev věří, že to může být sníženo na méně než milisekundu. To je 200 000krát rychlejší, poznamenává, a znamená změnu z organické chemie na biochemii. Chce také změnit způsob výroby nástrojů používaných pro čtení a psaní, aby byly mnohem menší. V současné době jde o velikost velkých chladniček. Chce to zmenšit.

Vestavěná redundance a potřeba opravy chyb

Jedním z výzkumných pracovníků, který byl ovlivněn článkem Science Science z roku 2012, je profesorka Olgica Milenkovic z University of Illinois, Urbana-Champaign. Článek zmiňoval potřebu kódování, což okamžitě vyvolalo její zájem. Kódování ve výzkumu úložiště je technika přidávání redundance do dat, redundance, kterou lze později použít k opravě chyb, ke kterým dojde během procesu čtení a zápisu. Pro příklad, proč je to důležité, viz dva obrázky Citizen Kane zde. Oba byli kódováni v DNA týmem Milenkovic a pak si je přečetli. Hádejte, který z nich použil nadbytečnost.

Máte pravdu: Obraz na levé straně byl kódován redundancí a obraz na pravé straně nebyl.

Jednoduchý způsob, jak přidat redundanci, je opakovat každý znak po stanovenou dobu. Spíše než psaní 0, napište to čtyřikrát. To je přístup brutální síly - jednoduchý, ale strašně neefektivní. Milenkovičova práce je o dosažení stejné opravy chyb důmyslnějším způsobem. Zahrnuje techniky nazývané kontroly parity nebo kontroly lineární kongruence, které poskytují způsoby ověřování údajů.

"Celé pole je v podstatě o tom, jak vám pomoci opravit chyby, pokud se objeví, nebo ještě lépe, vyhnout se chybám, o kterých víte, že se velmi pravděpodobně objeví, " říká Milenkovic. "Zavádíme řízenou redundanci, abychom se zbavili chyb, a tato řízená redundance není ve formě jednoduchého opakování, protože je to velmi neefektivní."

To přivedlo Milenkovic na pole, ale její výzkum se nyní zaměřuje na snížení masivních nákladů na syntézu DNA.

„Můj student, H. Tabatabae Yazdi, který byl na toto téma velmi aktivní, a já jsem se opravdu snažil přijít s chytrým způsobem, jak se vyhnout syntéze DNA. Syntéza DNA je pro tuto technologii naprosto překážkou kvůli vysokým nákladům., “Říká Milenkovic.

Ačkoliv Milenkovic je příliš prozrazující odhalení o nepublikovaném výzkumu, její řešení zahrnuje „mazaný matematický přístup“ a je to všechno o načasování, přičemž velikost intervalu mezi kousky informace je smysluplná.

"Pokud se obejdete bez formality, kterou chcete použít k ATGC, aby skutečně kódovali binární symboly na určitém místě, můžete přijít s mnohem chytřejšími a účinnějšími prostředky pro ukládání informací, protože nemusíte znovu a znovu syntetizovat prvky." znovu, “vysvětluje Milenkovic. "Můžete je určitým způsobem syntetizovat jednou a pak znovu použít tuto syntetizovanou DNA inteligentním kombinatorickým způsobem."

Milenkovic prostřednictvím své práce doufá, že sníží náklady na syntézu DNA o nejméně tři řády. To stále ještě nestačí, poznamenává, ale je to pokrok. Přispívá také k řadě výzkumů, které považuje za fascinující.

„Je velmi vzrušující, být upřímný, hrát na Boha a zakódovat vaše vlastní informace do DNA, “ říká Milenkovic. "Dává člověku pocit vzrušení, když víte, že hrajete s vybranou molekulou přírody a děláte to, co chcete ukládat a kódovat a předávat informace do budoucnosti."

Proplacení - každý den

Není to všechno suchý prašný akademický výzkum s ukládáním DNA. Helixworks, společnost se sídlem v Irsku, se již z toho snaží vydělat peníze. Má produkt na Amazonu - druh.

„Spustili jsme na Amazonu, abyste mohli získat 512 kB digitálních dat zakódovaných do DNA, “ vysvětluje spoluzakladatel společnosti Nimesh Pinnamaneni. "Je to něco velmi malého. Možná obrázek nebo možná báseň, něco takového."

Je to neobvyklý nákup, ale mohl by to být perfektní milostný token pro osobu, která má všechno, zejména pokud je tato osoba vědec:

„Pamatuji si, že nám jeden zákazník volá. Chtěl darovat své manželce - oba jsou biotechnologové - chtěl darovat své ženě na jejich výročí svatby. Chtěl dát zprávu do DNA a darovat jí DNA, “ vzpomíná Pinnamaneni. „Musela by si sekvenci DNA přečíst, aby si mohla přečíst zprávu. Je to docela komplikovaný způsob, jak poslat milostnou zprávu, ale možná je to roztomilé pro biotechnology, víš?“

Helixworks se však v srpnu 2016 před zveřejněním svého produktu na Amazonu trochu dopředu, než byla připravena k plnění objednávek. Dva lidé si zakoupili společnost DNADrive $ 199 - 14 karátovou zlatou kapsli se shlukem DNA uvnitř - předtím, než byla Helixworks nucena vyřadit svůj produkt. DNADrive je stále na Amazonu, ale nelze jej zakoupit.

To neznamená, že Helixworks je u konce, prostě přehnaná. Je příliš daleko, abych zastavil hned teď. Společnost začala na univerzitě v Borås ve Švédsku, kde Pinnamaneni (obrázek nahoře vlevo) a Sachin Chalapati (vpravo), další spoluzakladatel společnosti, získaly magisterské tituly v oblasti biotechnologií. Získali finanční prostředky na výzkum ukládání DNA, pokračovali ve své práci, když se vrátili domů v indickém Bangalore, a vyvinuli důkaz konceptu.

Obsazení dalších fondů je přivedlo do programu akcelerátoru IndieBio, který provozuje SOSV, začínající firma rizikového kapitálu v kalifornském San Franciscu. Helixworks byl vybrán programem a získal 50 000 dolarů v hotovosti a schopnost pracovat z laboratoře v County Cork, kde to bylo za posledních šest měsíců. Program zahrnuje mentoring v oblasti nadhazování produktu, který Helixworks uvede do užívání na letošním festivalu South by Southwest, kde bude soutěžit v prezentační akci.

Zatímco víření zlatých kapslí DNA může být nakonec lukrativním doplňkem, Pinnamaneni říká, že budoucnost jeho společnosti je v kompaktních domácích a kancelářských tiskárnách DNA, které se nyní vyvíjí. Chce, aby bylo skladování DNA snadné a dostupné, aby ho kdokoli mohl použít.

„Přišli jsme na to, že musíte mít v tiskárně něco, co funguje jako kazeta, “ vysvětluje Pinnamaneni. „Máte jen čtyři barvy a tyto čtyři barvy se mohou kombinovat, aby vytvořily jakoukoli možnou barvu, že? Takto funguje vaše inkoustová tiskárna. Přišli jsme na to, že v našem systému potřebujeme něco podobného. Navrhli jsme kazetu 32 činidel, která lze kombinovat tak, aby vytvořily jakoukoli možnou sekvenci DNA."

Zatímco jiné laboratoře platí přibližně 30 000 dolarů pokaždé, když potřebují syntetizovat DNA, což je operace, která trvá týdny, Pinnamaneni říká, že jeho vynález může dramaticky snížit náklady a čas. Helixworks spolupracuje s Opentrons, společností, která vyrábí automatizované laboratorní vybavení, k vytvoření tiskárny. To je to, co se objeví na SXSW.

„Na výstavě budeme demonstrovat psaní DNA těsně před vašimi očima, “ říká Pinnamaneni.

Společnost zatím nepřijme žádné objednávky. A to je dobré, protože tento romantický biotechnolog stále čeká na svůj výroční dárek.