Имате нужда от допълнително съхранение? опитайте dna

Инженерите успешно изтласкват повече хранилища в по-малки пространства от десетилетия, но това не може да продължи вечно. Следващият голям скок в съхранението на данни може да приеме формата на ДНК вътре в цялата органична материя: Учените в лаборатории в цялата страна експериментират със синтетична ДНК като средство за съхранение.

„Ако погледнете къде отива електрониката, силиконовите технологии, много от основните технологии, които използваме за изграждането на компютри днес, ние се приближаваме до границата в почти всички тях“, казва Луис Анрике Чезе, доцент по компютърни науки и инженерство във Вашингтонския университет. "ДНК е много гъста, много издръжлива и отнема много малко енергия за поддържане, така че има много предимство от използването на ДНК за съхранение на данни."

Ceze работи с Карин Щраус, изследователка на компютърната архитектура в Microsoft Research, за сътрудничество между двете институции - проект, който свързва компютърните науки и биологията. За екип от около 20 души университетът осигурява молекулярните биолози, а Microsoft осигурява компютърните учени.

За да разберете как ДНК може да се използва за съхранение, помислете, че всички компютърни данни са двоични или базови-2. ДНК е база-4, състояща се от аденин, цитозин, гуанин и тимин (съкратено като A, C, G и T). Първата стъпка е преобразуването на база-2 информация в база-4, така че А съответства на 00, С до 01, G до 10 и T до 11 (което го опростява малко, но стига до идеята).

Тогава учените използват машина, наречена синтезатор на ДНК, за да комбинират четирите химикали в правилния ред. Резултатът съхранява информацията многократно като солеви клъстер, по-малък от върха на молив. Четенето на тази информация изисква ДНК секвенсър.

Въпреки че това може да звучи крехко - като нещо, което може да издуха, когато вратата се отвори внезапно - ДНК е най-силният носител за съхранение на данни, който сме виждали. Учените успешно прочетоха ДНК, която е на стотици хиляди години.

Последователното разделяне на ДНК включва премахване на малка част от съхранения материал и процесът изчерпва тази проба. Следователно, запис на ДНК може да бъде прочетен ограничен брой пъти. Това обаче не е проблем, тъй като съхраненият материал има толкова много излишни данни; може да се вземе проба отново и отново. Днешните носители за съхранение също имат ограничен брой цикли на запис и четене, преди да се провалят, така че това не е нищо ново.

Както посочва Чезе, ДНК никога няма да остарее. Докато много от нас имат дискети в задната част на чекмедже, които вече не можем да четем, това няма да е съдбата на ДНК. "Винаги ще се грижим за ДНК по науки за живота и по здравословни причини, така че винаги ще имате начин да четете информация, съхранявана в ДНК", казва Чезе.

През юли 2016 г. Microsoft и Университетът във Вашингтон успешно кодираха 200MB данни във форма на ДНК, като най-добре постигнаха предишния запис от 22MB. С помощта на ДНК, Щраус казва, че ще бъде възможно да се съхранят 1 екбабайт данни - това е 1 милиард GB - в 1-инчов куб.

„Ние направихме оценка колко данни можете да поставите в определен обем“, казва Щраус. "Опитахме се да преценим какъв ще бъде обемът, ако днес решим да архивираме целия достъпен Интернет, което означава всичко, което не се крие зад парола или какъвто и да е вид електронна стена, и измислихме размера на голяма кутия за обувки."

Това звучи като далечно предложение, но Ceze вярва, че ще видим търговски системи за съхранение на ДНК на пазара след десетилетие. Те няма да работят точно като микропроцесорно съхранение, тъй като за създаването на ДНК е необходима мокра химическа среда, но те ще осигурят огромен капацитет и произволен достъп със същите скорости, които сега осигуряват корпоративните лентови системи.

Бързо поле на полето

ДНК съществува от милиарди години, но демонстрациите на ДНК като използваема технология за съхранение започват през 1986 г., когато изследователят на MIT Джо Дейвис кодира обикновен двоичен образ в 28 базови двойки ДНК.

Друг пионер в тази област е Джордж Чърч, професор по генетика, който работи в Медицинското училище в Харвард от 1977 г. и управлява собствената си лаборатория от 1986 г. Църквата се интересува от намаляване на разходите за четене и писане на ДНК от 70-те години на миналия век, вярвайки, че някой ден те ще се съберат заедно, за да създадат практическо съхранение на данни. Той се заинтересува да работи върху ДНК изследвания около 2000 г. и извърши критични тестове за секвениране и синтез през 2003 и 2004 г. До 2012 г. той успя да обедини и двете области и да създаде система за кодиране на данни. Той написа тази работа във влиятелна статия от 2012 г. в Science .

„Преди 2003 и 2004 г. секвенирането и синтеза се извършваха по същество в капиляри - или малки епруветки - където бихте имали по една епруветка на последователност“, обяснява Чърч. "Беше доста ръчен и не мащабируем. Урокът, който научихме от микрофабриката на полупроводниковата индустрия, трябваше да измислиш начин да ги поставиш по същество в двуизмерна равнина и след това да намалиш размера на характеристиките. Нито един от тях методите, базирани на колони, бяха съвместими с това и така през 2003 г. показахме как можете да разпределите последователности в двуизмерна равнина и след това да ги изобразите с флуоресцентно изображение, което сега е доминиращият начин на секвениране. Тогава през 2004 г. показахме, че бихте могли да произвеждате ДНК в самолет и след това да го изплъзвате, а след това може да бъде още по-компактен, така че самолетът е просто временно място за синтезирането им. След това можете да ги компактирате в триизмерен обект, който е бил милиони пъти по-компактен от нормалното съхранение на данни.

„Това бяха доказателство за концептуални упражнения през 2003 и 2004 г. През 2012 г. ние и други усъвършенствахме методите за четене и писане за ДНК и ги събрах в един експеримент, където кодирах книга, която току-що бях написала в ДНК, включително изображения, показващи, че всъщност всичко, което е цифрово, може да бъде кодирано с ДНК."

Въпреки че цената е значително препятствие за съхранението на ДНК, Църква отбелязва, че цената е спаднала рязко за краткото време, в което са направени изследвания. Цената на четенето на ДНК се е подобрила около 3 милиона пъти, докато цената на писането се е подобрила с милиард пъти. Той вижда как и двете се подобряват с още един милион пъти за още по-малко време. Той също така посочва, че разходите за копиране на ДНК материал са почти безплатни, както и разходите за дългосрочно съхранение. За архивното съхранение цената на четенето на данни не е голяма пречка, тъй като много архивиран материал никога не се чете, а някои елементи се четат избирателно. Вижте разходите за цялата система, съветва той. Традиционните методи за съхранение се движат със скорост на закона на Мур и скоро ще плато. Но технологията за съхранение на ДНК се движи по-бързо от закона на Мур и не показва признаци на плато.

Архивирането и съхранението в облак е мястото, където Чърч първо вижда съхранението на ДНК данни. Компании, включително IBM, Microsoft и Technicolor, имат свои екипи за научни изследвания и разработки, които изучават областта, отбелязва той. Той си сътрудничи с Technicolor през 2015 г., за да съхранява ДНК до Луната , класически филм от 1902 г., който някога се смяташе за изгубен, в ДНК. Сега Technicolor разполага с много ДНК копия, които в комбинация не са по-големи от петната прах.

Църквата има лаборатория от 93 души, работещи по съхранение на ДНК и в момента се фокусира върху две цели. Първото е радикално да се подобри скоростта на цикъл. Информацията се съхранява в стотици слоеве, всеки дебел като молекула. Всяко добавяне в момента отнема три минути, но Чърч вярва, че това може да се сведе до по-малко от милисекунда. Това е 200 000 пъти по-бързо, отбелязва той, и означава промяна от органична химия към биохимия. Той също така иска да промени начина, по който се произвеждат инструментите, използвани за четене и писане, за да ги направят много по-малки. В момента те са с размерите на големите хладилници. Той иска това да бъде намалено.

Вградена резервираност и необходимостта от коригиране на грешки

Един изследовател, който беше повлиян от научната статия на Църквата за 2012 г., е професор Олгика Миленкович от университета в Илинойс, Урбана-Шампайн. В статията се споменава необходимостта от кодиране, което веднага предизвика интереса й. Кодирането в изследванията за съхранение е техника за добавяне на излишък към данни, съкращаване, която по-късно може да се използва за коригиране на грешки, възникващи по време на процеса на четене и писане. За пример защо това е важно, вижте двете снимки на Citizen Kane тук. И двамата бяха кодирани в ДНК от екипа на Миленкович и след това прочетени. Познайте кой е използвал съкращението.

Права сте: изображението вляво беше кодирано с излишък, а изображението вдясно не.

Един прост начин за добавяне на резервираност е повтарянето на всеки символ в определен брой пъти. Вместо да пишете 0, напишете го четири пъти. Това е грубият подход - прост, но ужасно неефективен. Работата на Миленкович е за постигане на същата корекция на грешки по по-сложен начин. Тя включва техники, наречени проверки за паритет или линейни проверки за конгруентност, за да предоставят начини за проверка на данните.

„Цялото поле е в основата на това да ви помогне да коригирате грешки, ако те се появят или, още по-добре, избягвайте грешки, които знаете, че е много вероятно да се появят“, казва Миленкович. „Ние въвеждаме контролирано съкращаване, за да се освободим от грешки и това контролирано съкращаване не е под формата на просто повторение, защото това е много неефективно.“

Именно това изведе Миленкович на място, но сега нейното изследване е свързано с намаляване на огромната цена на синтеза на ДНК.

"Моят ученик Х. Табатабае Язди, който беше много активен по тази тема и много се опитвах да измисля интелигентен начин да избегна синтеза на ДНК. Синтезирането на ДНК е абсолютно тясно място за тази технология поради високата цена ", Казва Миленкович.

Въпреки че Миленкович се опитва да разкрие прекалено много за непубликувани изследвания, решението й включва „хитри математически подходи“ и се отнася до времето, при което размерът на интервала между битовете информация е смислен.

„Ако не се възползвате от формалността, която искате да използвате ATGC, за да кодирате наистина двоични символи на определено място, можете да измислите много по-интелигентни и по-ефективни средства за съхранение на информация, тъй като няма нужда да синтезирате нишки отново и отново отново “, обяснява Миленкович. „Можете да ги синтезирате веднъж по определен начин и след това да използвате повторно тази синтезирана ДНК по интелигентен комбинаторски начин.“

Чрез работата си Миленкович се надява да намали разходите за синтеза на ДНК поне три порядъка. Това все още не е достатъчно, отбелязва тя, но това е напредък. Това също допринася за редица изследвания, които тя намира за очарователни.

„Много е вълнуващо да бъдем честни, да играете на Бог и да кодирате собствената си информация в ДНК“, казва Миленкович. "Това дава на човек усещане за вълнение да знае, че играете с избрана молекула от природата и го кара да прави това, което искате да съхранява и кодира и да предава информация за бъдещето."

Внасяне на пари - всеки ден сега

Това не са всички сухи прашни академични изследвания със съхранение на ДНК. Helixworks, компания със седалище в Ирландия, вече се опитва да спечели пари. Той има продукт на Amazon - нещо като.

"Стартирахме в Amazon, за да можете да получите 512KB цифрови данни, кодирани в ДНК", обяснява Нимеш Пиннамани, съосновател на компанията. "Това е нещо много малко. Може би снимка или може би стихотворение, нещо подобно."

Това е необичайна покупка, но може да бъде перфектният любовен знак за човека, който има всичко, особено ако този човек е учен:

„Спомням си, че един клиент ни се обади. Той искаше да подари на жена си - и двете са биотехнолози - искаше да подари жена си на годишнината от сватбата им. Искаше да сложи послание в ДНК и да й подари ДНК“, спомня си Пинамани. "Тя ще трябва да секционира ДНК, за да прочете съобщението. Това е доста сложен начин за изпращане на любовно съобщение, но може би това е сладко за биотехнолозите, знаете ли?"

Но Helixworks малко изпревари себе си, публикувайки продукта си в Amazon през август 2016 г., преди да е готов да изпълни поръчките. Двама души закупиха $ 199 DNADrive на компанията - 14-каратова златна капсула с струпване на ДНК вътре - преди Helixworks да бъде принуден да изтрие продукта си. DNADrive все още е в Amazon, но не може да бъде закупен.

Това не означава, че Helixworks свърши, просто прекалено нетърпелив. Дойде твърде далеч, за да спре сега. Компанията стартира в университета в Борос в Швеция, където Пинаманиани (на снимката горе, вляво) и Сачин Чалапати (вдясно), друг съосновател на компанията, получават магистърски степени по биотехнология. Те събраха средства за изследвания за съхранение на ДНК, продължиха работата си, като се върнаха вкъщи в Бангалор, Индия, и разработиха доказателство за концепция.

Кастингът за допълнителни средства ги доведе до ускорителната програма IndieBio, управлявана от SOSV, стартираща фирма за рисков капитал в Сан Франциско, Калифорния. Helixworks беше избрана от програмата и спечели 50 000 долара в брой и възможността за работа от лаборатория в графство Корк, където е през последните шест месеца. Програмата включва наставничество по задаване на продукт, който Helixworks ще използва за тазгодишния фестивал South by Southwest, където той ще се състезава в терена.

Докато избирането на златни ДНК капсули в крайна сметка може да бъде доходоносен страничен план, Пинаманиани казва, че бъдещето на неговата компания е в компактните ДНК принтери за дома и офиса, които разработва сега. Той иска да направи съхранението на ДНК лесно и достатъчно достъпно за всеки, който може да използва.

"Решихме, че трябва да имате нещо, което работи като касета в принтер", обяснява Пинамани. "Просто имате четири цвята и тези четири цвята могат да се комбинират, за да образуват всеки възможен цвят, нали? Ето как работи вашият принтер с мастило. Решихме, че трябва да имаме нещо подобно в нашата система. Ние създадохме патрон от 32 реагента, които може да се комбинира, за да образува всяка възможна ДНК последователност."

Докато другите лаборатории плащат около 30 000 долара всеки път, когато трябва да бъдат синтезирани ДНК, операция, която отнема седмици, Пинамани казва, че изобретението му може да намали драстично разходите и времето. Helixworks работи с Opentrons, компания, която произвежда автоматизирано лабораторно оборудване, за да създаде принтера. Това е, което ще бъде насочено към SXSW.

„Това, което ще демонстрираме на етажа на експо, е писането на ДНК точно пред очите ви“, казва Пинамани.

Компанията все още не приема поръчки. И това е добре, защото този романтичен биотехнолог все още чака своя юбилеен подарък.