Trebate dodatnu pohranu? probaj dna

Inženjeri desetljećima uspješno guraju više prostora za pohranu u manje prostore, ali to ne može trajati zauvijek. Sljedeći veliki skok u pohrani podataka mogao bi poprimiti oblik DNK unutar sve organske tvari: Znanstvenici u laboratorijima širom zemlje eksperimentiraju sa sintetičkom DNK kao medije za pohranu.

"Ako pogledate kuda ide elektronika, silicijska tehnologija, puno osnovne tehnologije koju danas koristimo za izgradnju računala, gotovo svima se približavamo granici", kaže Luis Henrique Ceze, izvanredni profesor računalnih znanosti i inženjerstvo na Sveučilištu Washington. "DNK je vrlo gust, veoma izdržljiv i potrebno je vrlo malo energije za održavanje, tako da postoji velika prednost upotrebe DNK za pohranu podataka."

Ceze surađuje s Karin Strauss, istraživačicom računalne arhitekture u Microsoftovom istraživanju, na suradnji dviju institucija - projektu koji povezuje informatiku i biologiju. Za tim od oko 20 ljudi, sveučilište pruža molekularne biologe, a Microsoft pruža računalne stručnjake.

Da biste razumjeli kako se DNK može koristiti za pohranu, uzmite u obzir da su svi računalni podaci binarni ili osnovni-2. DNA je baza-4, koju čine adenin, citozin, gvanin i timin (skraćeno A, C, G i T). Prvi korak je pretvaranje podataka baza-2 u bazu-4, pa A odgovara 00, C do 01, G do 10 i T do 11 (što ga malo pojednostavljuje, ali ide kroz ideju).

Zatim znanstvenici koriste stroj nazvan sintetizator DNK za kombiniranje četiri kemikalije u ispravnom redoslijedu. Rezultat pohranjuje informacije više puta u obliku soli nalik soli manjoj od vrha olovke. Čitanje tih podataka zahtijeva DNK sekvence.

Iako ovo može zvučati krhko - poput nečega što bi moglo puhati kad se vrata odjednom otvore - DNK je najjači medij za pohranu podataka koji smo vidjeli. Znanstvenici su uspješno pročitali DNK star stotinama tisuća godina.

Sekvenciranje DNK uključuje uklanjanje sitnog dijela pohranjenog materijala, a postupak iscrpljuje taj uzorak. Posljedično, snimanje DNK može se pročitati konačan broj puta. To, međutim, nije problem, jer pohranjeni materijal ima toliko suvišnih podataka; može se uzorkovati iznova i iznova. Današnji mediji za pohranu također imaju ograničen broj ciklusa pisanja i čitanja prije nego što uspije, pa to nije ništa novo.

Kao što Ceze ističe, DNK nikada neće zastarjeti. Dok mnogi od nas imaju diskete u stražnjoj ladici koje više ne možemo čitati, to neće biti sudbina DNK. "Uvijek ćemo brinuti o DNK zbog životnih znanosti i zdravstvenih razloga, tako da ćete uvijek imati način čitanja podataka pohranjenih u DNK", kaže Ceze.

U srpnju 2016., Microsoft i Sveučilište u Washingtonu uspješno su kodirali 200MB podataka u DNK oblik, najbolje nadmašivši dosadašnji rekord od 22 MB. Korištenje DNK, kaže Strauss, bit će moguće pohraniti 1 pretjerani bajt podataka - to je milijardu GB - u kocku od 1 inča.

"Procjenili smo koliko podataka možete staviti u određeni opseg", kaže Strauss. "Pokušali smo procijeniti koliki bi bio volumen ako bismo danas odlučili arhivirati čitav dostupan Internet, što znači sve što se ne nalazi iza lozinke ili bilo kakvog elektroničkog zida. Izmislili smo veličinu velike kutije za cipele."

To zvuči kao daleka tvrdnja, ali Ceze vjeruje da ćemo komercijalne sustave za pohranu DNK na tržištu vidjeti za deset godina. Neće raditi baš kao mikroprocesorsko skladištenje, jer za stvaranje DNA je potrebno vlažno kemijsko okruženje, ali imat će ogroman kapacitet i slučajni pristup istim brzinama kao i sada.

Polje koje brzo napreduje

DNK postoji već nekoliko milijardi godina, ali demonstracije DNK kao upotrebljive tehnologije skladištenja počele su 1986. kada je istraživač MIT-a Joe Davis kodirao jednostavnu binarnu sliku u 28 baznih parova DNK.

Još jedan pionir na ovom polju je George Church, profesor genetike koji na Medicinskom fakultetu u Harvardu radi od 1977, a vodi svoj laboratorij od 1986. Church je zainteresiran za smanjenje troškova čitanja i pisanja DNK od 1970-ih, vjerujući da će to jednog dana okupljali bi se kako bi stvorili praktično pohranjivanje podataka. Zainteresiran je za rad na DNK istraživanjima oko 2000. godine i izvršio je kritičke testove sekvenciranja i sinteze u 2003. i 2004. Do 2012. godine, uspio je sastaviti oba područja i stvoriti sustav za kodiranje podataka. Napisao je taj rad u utjecajnom članku iz 2012. godine u časopisu Science .

"Prije 2003. i '04., Sekvenciranje i sinteza bili su u osnovi u kapilarima - ili malim epruvetama - gdje biste imali jednu epruvetu po nizu", objašnjava Church. "Bilo je prilično ručno i nije skalabilno. Pouka koju smo naučili iz mikroproizvodne industrije poluvodiča bila je potrebna da se osmislite način da ih u osnovi stavite u dvodimenzionalnu ravninu, a zatim smanjite veličinu značajki. Niti jedan od njih Metode temeljene na stupcima bile su kompatibilne s tim, pa smo tako 2003. godine pokazali kako možete distribuirati sekvence na dvodimenzionalnu ravninu, a zatim ih slikati fluorescentnim slikama koje su sada dominantan način sekvenciranja. Tada smo 2004. pokazali da mogli biste proizvesti DNK u avionu, a zatim ga skinuti, a onda bi on mogao biti još kompaktniji, pa je avion bio samo privremeno mjesto za njihovu sintezu. Tada biste ih mogli kompaktirati u trodimenzionalni objekt koji je bio milijun puta kompaktnija od uobičajene pohrane podataka.

"To su bili dokaz konceptnih vježbi u 2003. i 2004. godini. U 2012. godini smo i drugi usavršili i metode čitanja i pisanja DNK-a. Sastavio sam ih u jedan eksperiment gdje sam kodirao knjigu koju sam upravo napisao u DNK, uključujući slike, pokazujući da se u osnovi sve što je digitalno može kodirati s DNK ".

Iako su troškovi značajna prepreka za skladištenje DNK, Church napominje da je cijena naglo pala u kratkom vremenu istraživanja. Cijena čitanja DNK poboljšala se oko 3 milijuna puta, dok se troškovi pisanja poboljšali za milijardu puta. Može vidjeti kako se poboljšava za još milijun puta u još kraćem vremenu. Također ističe da su troškovi kopiranja DNK materijala gotovo besplatni, kao i troškovi dugotrajnog skladištenja. Za arhivsku pohranu, cijena čitanja podataka nije velika prepreka, jer se mnogo arhivirane građe nikad ne pročita, a neki se elementi čitaju selektivno. Pogledajte troškove cijelog sustava, savjetuje. Tradicionalne metode skladištenja kreću se brzinom Moore's Law i ubrzo će se plato. Ali tehnologija skladištenja DNA kreće se brže od Mooreovog zakona i ne pokazuje znakove planovanja.

Arhivsko i oblačno pohranjivanje Crkva prvo vidi pohranu podataka DNK. Tvrtke, uključujući IBM, Microsoft i Technicolor, imaju vlastite istraživačke i razvojne timove koji proučavaju to područje, napominje. S Technicolorom je surađivao 2015. godine na snimanju DNK-a, Mjeseca , klasičnog filma iz 1902. godine koji se nekad smatrao izgubljenim. Sada Technicolor ima mnogo primjeraka DNK koji, u kombinaciji, nisu veći od mrlje prašine.

Church ima laboratorij od 93 osobe koje rade na skladištenju DNK i trenutno se fokusiraju na dva cilja. Prvi je radikalno poboljšati brzinu po ciklusu. Informacije su pohranjene u stotinama slojeva, svaki debljine kao molekula. Svaki dodatak trenutno traje tri minute, ali Church vjeruje da se to može smanjiti na manje od milisekunde. To je 200.000 puta brže, napominje, i znači promjenu iz organske u biokemiju. Također želi promijeniti način na koji se izrađuju instrumenti koji se koriste za čitanje i pisanje kako bi bili znatno manji. Trenutno su veličine velikih hladnjaka. Želi da se to smanji.

Ugrađena redundantnost i potreba za ispravkom pogrešaka

Jedna istraživačica pod utjecajem crkvenog članka iz 2012. godine bila je profesorica Olgica Milenković sa Sveučilišta Illinois, Urbana-Champaign. U članku se spominje potreba za kodiranjem, što je odmah potaknulo njezin interes. Kodiranje u istraživanju pohrane tehnika je dodavanja suvišnosti podacima, suvišnosti koja se kasnije može upotrijebiti za ispravljanje pogrešaka koje nastaju tijekom postupka čitanja i pisanja. Primjer zašto je to važno pogledajte dvije slike Citizen Kanea ovdje. Milenkovićev je tim obje kodirao u DNK, a potom su ih pročitali. Pogodi koji je koristio suvišnost.

U pravu ste: slika lijeve strane kodirana je suvišnim, a slika desne nije.

Jednostavan način dodavanja suvišnosti je ponavljanje svakog znaka broj puta. Umjesto da pišete 0, napišite ga četiri puta. To je grubi način prisiljavanja - jednostavan, ali užasno neefikasan. Milenkovićev rad na postizanju iste ispravke grešaka na sofisticiraniji način. To uključuje tehnike zvane provjere pariteta ili linearne provjere kongruencije kako bi se osigurali načini provjere podataka.

"Čitavo polje u osnovi je u tome da vam pomogne ispraviti pogreške ako se pojave ili, još bolje, izbjeći pogreške za koje znate da se vrlo vjerojatno pojavljuju", kaže Milenković. "Uvodimo kontroliranu suvišnost kako bismo se riješili pogrešaka, a ta kontrolirana suvišnost nije u obliku jednostavnog ponavljanja, jer je to vrlo neučinkovito."

To je dovelo Milenković na teren, ali njezino istraživanje sada govori o smanjenju ogromnih troškova sinteze DNK.

"Moj student H. Tabatabae Yazdi, koji je bio vrlo aktivan na ovu temu, i ja se jako trudim da smislim pametan način da izbjegnem sintetiziranje DNK. Sintetizacija DNK je apsolutno usko grlo za ovu tehnologiju zbog visokih troškova, "Kaže Milenković.

Iako je Milenković mršav u otkrivanju previše neobjavljenog istraživanja, njezino rješenje uključuje "lukave matematičke pristupe" i sve se temelji na vremenu, pri čemu veličina intervala između bita informacija ima smisla.

"Ako se ne slažete s formalnošću kojom želite koristiti ATGC-ove da biste stvarno kodirali binarne simbole na određenom mjestu, možete smisliti mnogo pametnija i učinkovitija sredstva za pohranu podataka, jer ne morate sintetizirati nizove iznova i iznova. opet ”, objašnjava Milenković. "Možete ih sintetizirati jednom na određeni način, a zatim ponovno upotrebljavati taj sintetizirani DNK na pametan kombinatorni način."

Svojim se radom Milenković nada da će smanjiti troškove sinteze DNK za najmanje tri reda veličine. To još uvijek nije dovoljno, napominje, ali to je napredak. Također doprinosi nizu istraživanja koja su joj fascinantna.

"Vrlo je uzbudljivo, biti iskren, igrati Boga i kodirati vlastite podatke u DNK", kaže Milenković. "To daje osobi uzbuđenje kad zna da se igrate s izabranom molekulom prirode i tjera je da radi ono što želite pohraniti, kodirati i prenijeti informacije u budućnost."

Uplata - bilo koji dan sada

Nisu sva suha prašnjava akademska istraživanja sa skladištenjem DNK. Helixworks, tvrtka sa sjedištem u Irskoj, pokušava već zaraditi novac. Na Amazonu ima proizvod - kakav.

"Lansirali smo na Amazonu kako biste mogli dobiti 512KB digitalnih podataka kodiranih u DNK", objašnjava Nimesh Pinnamaneni, suosnivač tvrtke. "To je nešto vrlo malo. Možda slika ili pjesma, nešto takvo."

To je neobična kupovina, ali to bi mogao biti savršen ljubavni znak za osobu koja ima sve, posebno ako je ta osoba znanstvenik:

"Sjećam se da nas je jedan kupac nazvao. Želio je pokloniti suprugu - oboje su biotehnolozi - želio je svojoj ženi pokloniti ženu na godišnjicu vjenčanja. Htio je staviti poruku u DNK i pokloniti joj DNK", sjeća se Pinnamaneni. "Morala bi slijediti DNK da bi pročitala poruku. To je prilično kompliciran način slanja ljubavne poruke, ali možda je to simpatično za biotehnologe, znate?"

No, Helixworks je malo ispred sebe objavio svoj proizvod na Amazonu u kolovozu 2016., prije nego što je bio spreman ispuniti narudžbe. Dvoje ljudi kupilo je kompaniju 199AD DNADrive - 14-karatnu zlatnu kapsulu s nakupinom DNK unutar - prije nego što je Helixworks bio prisiljen napustiti svoj proizvod. DNADrive je i dalje na Amazoni, ali nije ga moguće kupiti.

To ne znači da je Helixworks gotovo, pretjerano željan. Sada je predaleko da bismo stali. Tvrtka je započela na Sveučilištu u Boråsu u Švedskoj, gdje su Pinnamaneni (na slici gore, lijevo) i Sachin Chalapati (desno), drugi suosnivač tvrtke, stekli magisterij iz biotehnologije. Prikupili su sredstva za istraživanje skladištenja DNK, nastavili svoj rad vrativši se kući u Bangalore u Indiji i razvili dokaz o konceptu.

Potraga za dodatnim novčanim sredstvima dovela ih je do programa ubrzavanja IndieBio koji vodi SOSV, startup tvrtka s rizičnim kapitalom u San Franciscu u Kaliforniji. Program je odabrao Helixworks koji je osvojio 50 000 američkih dolara u gotovini i mogućnost rada iz laboratorija u okrugu Corku, gdje je bio posljednjih šest mjeseci. Program uključuje mentoriranje na pitching proizvodu koji će Helixworks iskoristiti na ovogodišnjem festivalu South by Southwest, gdje će se natjecati u disciplini pitch.

Iako bi izbacivanje zlatnih DNK kapsula eventualno moglo biti unosna strana, Pinnamaneni kaže kako se budućnost njegove tvrtke nalazi u kompaktnim kućnim i uredskim DNK pisačima koje razvija. Želi pohraniti DNK jednostavno i pristupačno dovoljno za svakoga tko ga može koristiti.

"Shvatili smo da trebate imati nešto što djeluje poput patrone u pisaču", objašnjava Pinnamaneni. "Imate samo četiri boje, a ove četiri boje mogu se kombinirati tako da formiraju bilo koju boju koja je moguća, zar ne? Tako funkcioniše vaš pisač s tintom. Shvatili smo da moramo imati nešto takvo u našem sustavu. Dizajnirali smo patronu od 32 reagensa koja može se kombinirati tako da se dobije bilo koji DNK slijed moguć."

Dok drugi laboratoriji plaćaju oko 30 000 dolara svaki put kada im je potrebno da se sintetizira DNK, operacija za koju su potrebni tjedni, Pinnamaneni kaže kako njegov izum može drastično smanjiti troškove i vrijeme. Helixworks surađuje s Opentronsom, tvrtkom koja proizvodi automatiziranu laboratorijsku opremu, radi stvaranja pisača. To je ono što će gledati na SXSW.

"Ono što ćemo demonstrirati na izložbi, jest pisanje DNK-a pred vašim očima", kaže Pinnamaneni.

Tvrtka još ne prima nikakve narudžbe. I to je dobro, jer taj romantični biotehnolog još čeka svoj dar za obljetnicu.