Kailangan mo ba ng dagdag na imbakan? subukan mo dna

Matagumpay na itinulak ng mga inhinyero ang mas maraming imbakan sa mas maliit na puwang sa loob ng mga dekada, ngunit hindi iyon maaaring magpakailanman. Ang susunod na malaking pagtalon sa pag-iimbak ng data ay maaaring kumuha ng anyo ng DNA sa loob ng lahat ng organikong bagay: Ang mga siyentipiko sa mga lab sa buong bansa ay nag-eeksperimento sa sintetikong DNA bilang isang daluyan ng imbakan.

"Kung titingnan mo kung saan pupunta ang electronics, teknolohiyang silikon, maraming pangunahing teknolohiya na ginagamit namin upang magtayo ng mga computer ngayon, papalapit na kami sa limitasyon sa halos lahat ng mga ito, " sabi ni Luis Henrique Ceze, associate associate ng computer science at engineering sa Unibersidad ng Washington. "Ang DNA ay napaka siksik, napakatagal, at nangangailangan ng napakaliit na kapangyarihan upang mapanatili, kaya maraming kalamangan ang paggamit ng DNA para sa pag-iimbak ng data."

Si Ceze ay nakikipagtulungan kay Karin Strauss, isang computer architecture researcher kasama ang Microsoft Research, sa isang pakikipagtulungan sa pagitan ng dalawang institusyon - isang proyekto na nag-tulay sa agham ng computer at biology. Para sa isang koponan na humigit-kumulang 20 katao, ang unibersidad ay nagbibigay ng mga mololohikal na biologist, at ang Microsoft ay nagbibigay ng mga siyentipiko sa computer.

Upang maunawaan kung paano magagamit ang DNA para sa imbakan, isaalang-alang na ang lahat ng data ng computer ay binary, o base-2. Ang DNA ay base-4, na binubuo ng adenine, cytosine, guanine, at thymine (pinaikling bilang A, C, G, at T). Ang unang hakbang ay ang pag-convert ng base-2 na impormasyon sa base-4, kaya ang A ay tumutugma sa 00, C hanggang 01, G hanggang 10, at T hanggang 11 (na pinapadali ito ng kaunti ngunit nakakakuha ng ideya).

Pagkatapos ay gumagamit ng mga siyentipiko ang isang makina na tinatawag na isang DNA synthesizer upang pagsamahin ang apat na kemikal sa tamang pagkakasunud-sunod. Ang resulta ay nag-iimbak ng impormasyon nang maraming beses nang paulit-ulit bilang isang kumpol na tulad ng asin na mas maliit kaysa sa dulo ng isang lapis. Ang pagbabasa ng impormasyon na pabalik ay nangangailangan ng isang sunud-sunod ng DNA.

Bagaman maaaring marupok ito - tulad ng isang bagay na maaaring pumutok kapag biglang bumukas ang isang pinto - Ang DNA ang pinakamalakas na daluyan ng imbakan ng data na nakita namin. Matagumpay na basahin ng mga siyentipiko ang DNA na daan-daang libong taong gulang.

Ang pagkakasunud-sunod sa DNA ay nagsasangkot sa pag-alis ng isang maliit na maliit ng nakaimbak na materyal, at ang proseso ay maubos ang sampol na iyon. Dahil dito, ang isang pagrekord ng DNA ay mababasa ng isang tiyak na bilang ng beses. Hindi iyon problema, bagaman, dahil ang naka-imbak na materyal ay may labis na kalabisan na data; maaari itong sampol nang paulit-ulit. Ang mga daluyan ng imbakan ngayon ay mayroon ding isang limitadong bilang ng mga pagsulat at pagbasa ng mga siklo bago sila mabigo, kaya wala itong bago.

Tulad ng tinukoy ni Ceze, ang DNA ay hindi kailanman magiging lipas. Habang ang marami sa atin ay may floppy disc sa likuran ng isang drawer na hindi na natin mabasa, hindi iyon magiging kapalaran ng DNA. "Palagi kaming nag-aalaga tungkol sa DNA para sa mga agham sa buhay at mga kadahilanang pangkalusugan, kaya laging may paraan ka sa pagbabasa ng impormasyon na nakaimbak sa DNA, " sabi ni Ceze.

Noong Hulyo 2016, matagumpay na na-encode ng Microsoft at University of Washington ang 200MB ng data sa form ng DNA, na nagbibigay ng pinakamahusay na tala ng 22MB. Gamit ang DNA, sabi ni Strauss, posible na mag-imbak ng 1 exabyte ng data-na 1 bilyong GB - sa isang 1-pulgada na kubo.

"Ginawa namin ang isang pagtatantya kung magkano ang data na maaari mong ilagay sa isang partikular na dami, " sabi ni Strauss. "Sinubukan naming tantyahin kung ano ang magiging dami kung napagpasyahan namin na mai-archive ang buong naa-access na Internet, nangangahulugang lahat na hindi sa likod ng isang password o anumang uri ng elektronikong pader, at dumating kami sa laki ng isang malaking shoebox.

Tila tulad ng isang malayo na panukala, ngunit naniniwala si Ceze na makikita namin ang mga komersyal na sistema ng imbakan ng DNA sa merkado sa isang dekada. Hindi sila gagana nang eksakto tulad ng imbakan ng microprocessor, dahil ang DNA ay nangangailangan ng isang wet kemikal na kapaligiran para sa paglikha, ngunit bibigyan sila ng napakalaking kapasidad at random na pag-access sa parehong bilis na ibinibigay ng mga system ng tape ng enterprise.

Isang Mabilis na Pagsusulong Patlang

Ang DNA ay umabot ng bilyun-bilyong taon, ngunit ang mga demonstrasyon ng DNA bilang isang kapaki-pakinabang na teknolohiya sa imbakan ay nagsimula noong 1986 nang ang encod ng MIT na si Joe Davis ay naka-encode ng isang simpleng binary image sa 28 base na pares ng DNA.

Ang isa pang payunir sa larangan na ito ay ang George Church, isang propesor ng genetika na nagtatrabaho sa Harvard Medical School mula pa noong 1977 at nagpapatakbo ng kanyang sariling lab mula pa noong 1986. Ang Simbahan ay interesado na ibagsak ang halaga ng pagbasa at pagsulat ng DNA mula noong 1970s, na naniniwala na balang araw sila ay magsasama upang lumikha ng mga praktikal na pag-iimbak ng data. Naging interesado siya na magtrabaho sa pagsasaliksik ng DNA sa paligid ng 2000 at nagsagawa ng kritikal na mga pagsubok sa pagkakasunud-sunod at synthesis noong 2003 at 2004. Noong 2012, nagawa niyang magkasama ang parehong mga lugar at lumikha ng isang sistema para sa pag-encode ng data. Isinulat niya ang gawaing iyon sa isang maimpluwensiyang artikulo sa 2012 sa Science .

"Bago ang 2003 at '04, ang pagkakasunud-sunod at synthesis ay ginawa nang mahalagang sa mga capillary - o maliit na tubo - kung saan magkakaroon ka ng isang tubo bawat pagkakasunud-sunod, " paliwanag ng Simbahan. "Ito ay medyo manu-manong at hindi nasusukat. Ang aralin na natutunan namin mula sa industriya ng mikropono ng semiconductor ay kailangan mong makabuo ng isang paraan upang mailagay ang mga ito sa isang dalawang dimensional na eroplano at pagkatapos ay masukat ang laki ng tampok. Ang mga pamamaraan na nakabase sa haligi ay katugma sa na, at sa 2003, ipinakita namin kung paano mo maipamahagi ang mga pagkakasunud-sunod sa isang dalawang-dimensional na eroplano at pagkatapos ay larawan ang mga ito gamit ang fluorescent imaging na ngayon ay ang nangingibabaw na paraan ng pag-uuri.Kaya noong 2004, ipinakita namin na maaari kang gumawa ng DNA sa isang eroplano at pagkatapos ay madulas, at pagkatapos ay maaari itong maging mas compact; kaya ang eroplano ay isang pansamantalang lugar lamang upang synthesize ang mga ito. mas compact kaysa sa normal na pag-iimbak ng data.

"Ang mga ito ay patunay ng mga ehersisyo ng konsepto noong 2003 at 2004. Noong 2012, kami at ang iba pa ay pino ang pagbasa ng mga pamamaraan sa pagbasa at pagsulat para sa DNA, at pinagsama ko sila sa isang eksperimento kung saan naka-encode ako ng isang libro na isinulat ko lamang sa DNA, kabilang ang mga imahe, na nagpapakita na ang anumang bagay na digital ay maaaring mai-encode ng DNA. "

Kahit na ang gastos ay isang makabuluhang sagabal para sa pag-iimbak ng DNA, ang tala ng Simbahan na ang presyo ay bumaba nang matindi sa maikling panahon na nagawa ang pananaliksik. Ang gastos ng pagbabasa ng DNA ay umunlad ng halos 3 milyon-kulong, habang ang gastos sa pagsulat ay umunlad ng isang bilyon-kulong. Maaari niyang makita ang parehong pagpapabuti sa pamamagitan ng isa pang milyon-pilo sa mas kaunting oras. Binanggit din niya na ang gastos ng pagkopya ng materyal na DNA ay halos walang bayad, tulad ng gastos ng pangmatagalang imbakan. Para sa imbakan ng archival, ang gastos ng data ng pagbabasa ay hindi isang malaking balakid, dahil ang maraming materyal na nai-archive ay hindi nabasa, at ang ilang mga item ay basahin nang selektibo. Tingnan ang mga gastos ng buong sistema, ipinapayo niya. Ang mga tradisyonal na pamamaraan ng imbakan ay lumilipat sa bilis ng Batas sa Moore at lalagyan ng talampas sa lalong madaling panahon. Ngunit ang teknolohiya ng imbakan ng DNA ay gumagalaw nang mas mabilis kaysa sa batas ng Moore at hindi nagpapakita ng mga palatandaan ng plate.

Ang archival at cloud storage ay kung saan nakikita ng Simbahan ang pag-iimbak ng data ng DNA una. Ang mga kumpanyang kabilang ang IBM, Microsoft, at Technicolor ay may sariling mga koponan sa pananaliksik at pag-unlad na nag-aaral sa lugar, ayon sa kanya. Nakipagtulungan siya sa Technicolor noong 2015 upang mag-imbak ng Isang Paglalakbay sa Buwan, isang klasikong 1902 na pelikula na pinaniniwalaang nawala, sa DNA. Ngayon ang Technicolor ay may maraming mga kopya ng DNA na, pinagsama, ay hindi mas malaki kaysa sa isang alikabok ng alikabok.

Ang Simbahan ay may lab na 93 na tao na nagtatrabaho sa pag-iimbak ng DNA at kasalukuyang nakatuon sa dalawang layunin. Ang una ay ang radikal na pagbutihin ang bilis sa bawat pag-ikot. Ang impormasyon ay naka-imbak sa daan-daang mga layer, ang bawat isa ay kasing kapal ng isang molekula. Ang bawat karagdagan ay kasalukuyang tumatagal ng tatlong minuto, ngunit naniniwala ang Simbahan na maaaring ibagsak sa mas kaunti kaysa sa isang millisecond. Iyon ay 200, 000 beses nang mas mabilis, tala niya, at nangangahulugang isang pagbabago mula sa organikong kimika hanggang biochemistry. Nais din niyang baguhin kung paano ginawa ang mga instrumento na ginagamit para sa pagbabasa at pagsulat upang gawin itong mas maliit. Sa kasalukuyan, sila ang laki ng mga malalaking refrigerator. Nais niyang i-scale down.

Built-In Redundancy at ang Kailangan para sa Pagwawasto ng Error

Ang isang mananaliksik na naiimpluwensyahan ng artikulo sa 2012 Science ng Simbahan ay ang propesor na si Olgica Milenkovic ng University of Illinois, Urbana-Champaign. Nabanggit ng artikulo ang pangangailangan para sa coding, na agad na nag-trigger ng kanyang interes. Ang pag-cod sa pananaliksik sa imbakan ay isang pamamaraan para sa pagdaragdag ng kalabisan sa data, kalabisan na maaaring magamit sa ibang pagkakataon upang iwasto para sa mga pagkakamali na nagaganap sa proseso ng pagbasa at pagsulat. Para sa isang halimbawa kung bakit ito mahalaga, tingnan ang dalawang larawan ng Citizen Kane dito. Parehong naka-encode sa DNA ng koponan ni Milenkovic at pagkatapos ay basahin. Hulaan kung alin ang gumagamit ng kalabisan.

Tama ka: Ang kaliwang imahe ay naka-encode na may kalabisan, at ang kanang kamay na imahe ay hindi.

Ang isang simpleng paraan ng pagdaragdag ng kalabisan ay ang pag-uulit ng bawat character ng isang bilang ng beses. Sa halip na magsulat ng isang 0, isulat ito ng apat na beses. Iyon ang diskarte sa malupit na puwersa - simple ngunit napakalakas na hindi epektibo. Ang gawain ni Milenkovic ay tungkol sa pagkamit ng parehong pagwawasto ng error sa isang mas sopistikadong paraan. Ito ay nagsasangkot ng mga pamamaraan na tinawag na mga tseke ng pagkakapareho o mga linear na pagsusuri ng pagkakabanggit upang magbigay ng mga paraan ng pag-verify ng data.

"Ang buong patlang, ay karaniwang tungkol sa pagtulong sa iyo na itama ang mga error kung lumitaw ito o, kahit na mas mahusay, maiwasan ang mga error na alam mong malamang na lumitaw, " sabi ni Milenkovic. "Ipinakilala namin ang kinokontrol na kalabisan upang mapupuksa ang mga pagkakamali, at ang kinokontrol na kalabisan ay hindi sa anyo ng simpleng pag-uulit, dahil iyon ay hindi epektibo."

Iyon ang nagdala kay Milenkovic sa bukid, ngunit ang kanyang pananaliksik ngayon ay tungkol sa pagbaba ng napakalaking gastos ng synthesis ng DNA.

"Ang aking mag-aaral, si H. Tabatabae Yazdi, na napaka-aktibo sa paksang ito, at sinubukan kong talagang mahirap na makabuo ng isang matalinong paraan upang maiwasan ang pag-synthesize ng DNA. Ang pagpo-synthesize ng DNA ay talagang isang bottleneck para sa teknolohiyang ito dahil sa mataas na gastos, "Sabi ni Milenkovic.

Bagaman ang Milenkovic ay leery ng pagpapakita ng labis tungkol sa hindi nai-publish na pananaliksik, ang kanyang solusyon ay nagsasangkot ng "tuso na diskarte sa matematika" at tungkol sa tiyempo, kung saan ang laki ng agwat sa pagitan ng mga piraso ng impormasyon ay makabuluhan.

"Kung magpapahiya ka sa pormalidad na nais mong gumamit ng mga ATGC upang tunay na mag-encode ng mga binary na simbolo sa isang tiyak na lokasyon, maaari kang makabuo ng mas matalinong at mas mahusay na paraan ng pag-iimbak ng impormasyon, dahil hindi mo kailangang synthesize ang mga strands nang paulit-ulit. muli, "paliwanag ni Milenkovic. "Maaari mong synthesize ang mga ito nang isang beses sa isang tiyak na paraan at pagkatapos ay muling gamitin ang synthesized na DNA sa isang matalinong combinatorial fashion."

Sa pamamagitan ng kanyang trabaho, inaasahan ni Milenkovic na itaboy ang gastos ng synthesizing DNA nang hindi bababa sa tatlong mga order ng magnitude. Iyon ay hindi pa rin sapat, tala niya, ngunit ito ay pag-unlad. Nag-aambag din ito sa isang linya ng pananaliksik na nasumpungan niya.

"Napakaganyak, maging matapat, upang i-play ang Diyos at i-encode ang iyong sariling impormasyon sa DNA, " sabi ni Milenkovic. "Nagbibigay ito sa isang tao ng kaguluhan upang malaman na naglalaro ka sa isang napiling molekula ng kalikasan at ginagawa mo ang nais mong itago at mai-encode at ihatid ang impormasyon sa hinaharap."

Pagpapautang sa-Anumang Araw Ngayon

Hindi lahat ng tuyong maalikabok na akademikong pananaliksik na may imbakan ng DNA. Ang Helixworks, isang kumpanya na nakabase sa Ireland, ay sinisikap na kumita na. Mayroon itong produkto sa Amazon-uri ng.

"Inilunsad namin sa Amazon upang makakuha ka ng 512KB ng digital data na naka-encode sa DNA, " paliwanag ni Nimesh Pinnamaneni, ang cofounder ng kumpanya. "Ito ay isang napakaliit. Siguro isang larawan o marahil ng isang tula, isang bagay na tulad nito."

Ito ay isang hindi pangkaraniwang pagbili, ngunit maaaring ito ay ang perpektong token ng pag-ibig para sa taong mayroong lahat, lalo na kung ang taong iyon ay isang siyentipiko:

"Naaalala ko ang isang customer na tumawag sa amin. Nais niyang ibigay ang kanyang asawa - silang dalawa ay biotechnologist - nais niyang ibigay ang kanyang asawa sa anibersaryo ng kanilang kasal. Nais niyang maglagay ng isang mensahe sa DNA at bigyan siya ng isang DNA, " paalala ni Pinnamaneni. "Kailangan niyang sunud-sunod ang DNA upang mabasa ang mensahe. Ito ay medyo kumplikado na paraan upang magpadala ng isang mensahe ng pag-ibig, ngunit marahil ito ay maganda para sa mga biotechnologist, alam mo?"

Ngunit ang Helixworks ay medyo nauna sa pag-post ng produkto nito sa Amazon noong Agosto ng 2016, bago ito handa na upang matupad ang mga order. Dalawang tao ang bumili ng $ 199 DNADrive ng kumpanya - isang 14-karat na kapsula ng ginto na may isang kumpol ng DNA sa loob-bago pa napilitang alisin ng Helixworks ang produkto nito. Ang DNADrive ay nasa Amazon pa rin, ngunit hindi ito mabibili.

Hindi nangangahulugang natapos na ang Helixworks, labis na sabik. Malapit na ito upang ihinto ngayon. Nagsimula ang kumpanya sa University of Borås sa Sweden, kung saan ang Pinnamaneni (nakalarawan sa itaas, kaliwa) at Sachin Chalapati (kanan), ang iba pang cofounder ng kumpanya, ay nakakakuha ng mga degree sa master sa biotechnology. Nagtaas sila ng pondo para sa pananaliksik sa imbakan ng DNA, nagpatuloy sa kanilang trabaho sa sandaling nakauwi sa Bangalore, India, at nakabuo ng isang patunay ng konsepto.

Ang pag-alis para sa karagdagang pondo ay nagdala sa kanila sa programang accelerator ng IndieBio na pinamamahalaan ng SOSV, isang startup venture capital firm sa San Francisco, California. Ang Helixworks ay napili ng programa at nanalo ng $ 50, 000 na cash at ang kakayahang magtrabaho mula sa isang lab sa County Cork, kung saan ito ay sa nakaraang anim na buwan. Kasama sa programa ang pagmimina sa pitching ng isang produkto, na gagamitin ng Helixworks sa Timog ngayong taon sa pamamagitan ng pagdiriwang ng Timog-Kanluran, kung saan makikipagkumpitensya ito sa isang pitch event.

Habang pinupukaw ang mga gintong DNA capsule na maaaring sa kalaunan ay maging isang kapaki-pakinabang na sideline, sinabi ni Pinnamaneni na ang hinaharap ng kanyang kumpanya ay nasa compact na mga home printer at mga opisina ng DNA na binuo nito ngayon. Nais niyang gawing madali at maayos ang imbakan ng DNA para magamit ng sinuman.

"Nalaman namin na kailangan mong magkaroon ng isang bagay na gumagana tulad ng isang kartutso sa isang printer, " paliwanag ni Pinnamaneni. "Mayroon ka lamang apat na kulay, at ang apat na kulay na ito ay maaaring pagsamahin upang mabuo ang anumang kulay na posible, di ba? Ganyan ang gumagana ng iyong tinta printer. Nalaman namin na kailangan nating magkaroon ng katulad na sa aming system. Kami ay nagdisenyo ng isang kartutso na 32 reagents na maaaring pagsamahin upang mabuo ang anumang pagkakasunud-sunod ng DNA na posible. "

Habang ang iba pang mga lab ay nagbabayad sa paligid ng $ 30, 000 bawat oras na kailangan nilang magkaroon ng synthesize ng DNA, isang operasyon na tumatagal ng mga linggo upang maisakatuparan, sinabi ni Pinnamaneni na ang kanyang imbensyon ay maaaring magdala ng gastos at oras na kapansin-pansing. Ang Helixworks ay nagtatrabaho sa Opentrons, isang kumpanya na gumagawa ng awtomatikong kagamitan sa lab, upang lumikha ng printer. Iyon ang itutulak nito sa SXSW.

"Ang ipapakita namin sa expo floor ay ang pagsulat ng DNA mismo sa harap ng iyong mga mata, " sabi ni Pinnamaneni.

Ang kumpanya ay hindi kukuha ng anumang mga order. At mabuti iyon, dahil ang romantikong biotechnologist na ito ay naghihintay pa rin sa kanyang regalo sa anibersaryo.