Nepieciešama papildu krātuve? mēģiniet DNS

Inženieri gadu desmitiem ir veiksmīgi iesnieguši vairāk krātuves mazākās telpās, taču tas nevar turpināties mūžīgi. Nākamais lielais datu glabāšanas lēciens varētu būt DNS forma visās organiskajās vielās: Zinātnieki laboratorijās visā valstī eksperimentē ar sintētisko DNS kā datu nesēju.

"Ja paskatās uz to, kurp virzās elektronika, silīcija tehnoloģija, liela daļa pamattehnoloģiju, ko šodien izmantojam datoru būvēšanai, tad gandrīz visās no tām tuvojamies robežai, " saka datorzinātņu asociētais profesors Luiss Henrikss Ceze. un inženierija Vašingtonas universitātē. "DNS ir ļoti blīva, tā ir ļoti izturīga, un tās uzturēšana prasa ļoti maz enerģijas, tāpēc datu glabāšanai DNS ir daudz priekšrocību."

Ceze sadarbojas ar Karinu Štrausu, datoru arhitektūras pētnieci ar Microsoft Research, sadarbībā starp abām institūcijām - projektu, kas savieno datorzinātni un bioloģiju. Aptuveni 20 cilvēku komandai universitāte nodrošina molekulāros biologus, bet Microsoft nodrošina datorzinātniekus.

Lai saprastu, kā DNS varētu tikt izmantots glabāšanai, ņemiet vērā, ka visi datora dati ir bināri vai bāzes-2. DNS ir bāze-4, kas sastāv no adenīna, citozīna, guanīna un timīna (saīsināti kā A, C, G un T). Pirmais solis ir bāzes-2 informācijas pārvēršana bāzē-4, tātad A atbilst skaitlim 00, C līdz 01, G līdz 10 un T līdz 11 (kas to mazliet vienkāršo, bet pārņem ideju).

Tad zinātnieki izmanto mašīnu, ko sauc par DNS sintezatoru, lai četras ķīmiskās vielas apvienotu pareizajā secībā. Rezultātā informācija vairākas reizes tiek saglabāta kā sāls veida kopums, kas ir mazāks par zīmuļa galu. Lai izlasītu šo informāciju, ir nepieciešams DNS sekvenceris.

Kaut arī tas var šķist trausls - piemēram, kaut kas, kas varētu izpūst, ja pēkšņi atveras durvis -, DNS ir spēcīgākais datu glabāšanas līdzeklis, ko mēs esam redzējuši. Zinātnieki ir veiksmīgi lasījuši DNS, kas ir simtiem tūkstošu gadu veca.

DNS sekvencēšana ietver neliela uzkrātā materiāla noņemšanu, un process šo paraugu noārda. Rezultātā DNS ierakstu var nolasīt ierobežotu skaitu reižu. Tomēr tā nav problēma, jo glabātajā materiālā ir tik daudz lieks datu; to var ņemt atkal un atkal. Mūsdienu datu nesējiem ir arī ierobežots skaits rakstīšanas un lasīšanas ciklu, pirms tie neizdodas, tāpēc tas nav nekas jauns.

Kā uzsver Ceze, DNS nekad nebūs novecojusi. Kaut arī daudziem no mums atvilktnes aizmugurē ir disketes, kuras mēs vairs nevaram lasīt, tas nebūs DNS liktenis. "Mēs vienmēr rūpēsimies par DNS dzīvības zinātņu un veselības apsvērumu dēļ, tāpēc jums vienmēr būs veids, kā lasīt DNS glabāto informāciju, " saka Ceze.

2016. gada jūlijā Microsoft un Vašingtonas Universitāte sekmīgi kodēja 200 MB datu DNS formātā, nodrošinot labāko ierakstu 22 MB. Izmantojot Štrausu, izmantojot DNS, 1 collas kubā būs iespējams uzglabāt vienu datu eksabātu - tas ir 1 miljards GB.

"Mēs aprēķinājām, cik daudz datu jūs varētu ievietot noteiktā apjomā, " saka Štrauss. "Mēs mēģinājām novērtēt, kāds būtu apjoms, ja mēs šodien izlemtu arhivēt visu pieejamo internetu, kas nozīmē visu, kas nav aiz paroles vai jebkāda veida elektroniskas sienas, un mēs nāca klajā ar lielas kurpju kastes izmēru."

Tas izklausās pēc tāla piedāvājuma, taču Ceze uzskata, ka desmit gadu laikā tirgū mēs redzēsim komerciālas DNS glabāšanas sistēmas. Tie nedarbosies tieši tāpat kā mikroprocesoru glabāšana, jo DNS izveidei nepieciešama mitra ķīmiskā vide, taču tie nodrošinās milzīgu ietilpību un izlases piekļuvi tādā pašā ātrumā, kādu tagad nodrošina uzņēmuma lenšu sistēmas.

Ātri progresējošs lauks

DNS pastāv jau vairākus miljardus gadu, bet DNS kā izmantojamas glabāšanas tehnoloģijas demonstrācijas sākās 1986. gadā, kad MIT pētnieks Džo Deiviss kodēja vienkāršu bināru attēlu 28 bāzes pāros DNS.

Vēl viens pionieris šajā jomā ir Džordžs Baznīca, ģenētikas profesors, kurš strādā Hārvardas Medicīnas skolā kopš 1977. gada un vada savu laboratoriju kopš 1986. gada. Baznīca ir ieinteresēta samazināt DNS lasīšanas un rakstīšanas izmaksas kopš 70. gadiem, uzskatot, ka kādreiz viņi sanāktu kopā, lai izveidotu praktisku datu glabāšanu. Viņš kļuva ieinteresēts strādāt pie DNS izpētes aptuveni 2000. gadā un 2003. un 2004. gadā veica kritiskos secības un sintēzes testus. Līdz 2012. gadam viņš varēja salikt abus apgabalus un izveidot sistēmu datu kodēšanai. Viņš uzrakstīja šo darbu ietekmīgajā 2012. gada rakstā Science .

"Pirms 2003. gada un '04 sekvencēšana un sintēze galvenokārt tika veikta kapilāros vai mazās mēģenēs, kur katrā secībā būtu viena caurule, " skaidro Baznīca. "Tas bija diezgan manuāli un nebija mērogojams. Nodarbība, ko mēs mācījāmies no mikrofabrikātu pusvadītāju nozares, bija tāda, ka jums bija jānāk klajā ar veidu, kā tos būtībā ievietot divdimensiju plaknē un pēc tam samazināt objekta izmēru. Neviena no tām kolonnu bāzes metodes bija saderīgas ar to, un tāpēc 2003. gadā mēs parādījām, kā jūs varat sadalīt sekvences divdimensiju plaknē un pēc tam tās attēlot ar fluorescējošu attēlveidošanu, kas tagad ir dominējošais sekvencēšanas veids. Tad 2004. gadā mēs parādījām, ka jūs varētu izgatavot DNS plaknē un pēc tam noslīdēt, un tad tas varētu būt vēl kompaktāks; tātad plakne bija tikai pagaidu vieta, kur tos sintezēt. Tad jūs varētu tos sablīvēt trīsdimensiju objektā, kas bija miljoniem reižu kompakta nekā parasta datu glabāšana.

"Tie bija koncepcijas vingrinājumu pierādījums 2003. un 2004. gadā. 2012. gadā mēs un citi bijām uzlabojuši gan DNS lasīšanas, gan rakstīšanas metodes, un es tos saliku vienā eksperimentā, kur kodēju grāmatu, kuru tikko biju ierakstījis DNS, tostarp attēlus, parādot, ka būtībā jebko, kas ir digitāls, var kodēt ar DNS."

Lai arī izmaksas ir ievērojams šķērslis DNS glabāšanai, Baznīca atzīmē, ka cena ir strauji kritusies īsajā laikā, kad tika veikti pētījumi. DNS lasīšanas izmaksas ir uzlabojušās apmēram 3 miljoni reizes, savukārt rakstīšanas izmaksas ir uzlabojušās par miljardu reizes. Viņš var redzēt, ka uzlabojas vēl miljons reizes vēl mazāk laika. Viņš arī norāda, ka DNS materiāla kopēšanas izmaksas ir gandrīz bez maksas, tāpat kā ilgtermiņa glabāšanas izmaksas. Arhīva glabāšanai datu lasīšanas izmaksas nav liels šķērslis, jo daudz arhivētu materiālu nekad netiek lasīts, un daži priekšmeti tiek lasīti selektīvi. Apskatiet visas sistēmas izmaksas, viņš iesaka. Tradicionālās uzglabāšanas metodes pārvietojas ar Mūra likuma ātrumu un drīzumā sasniegs plato. Bet DNS glabāšanas tehnoloģija virzās ātrāk nekā Mūra likumi un neuzrāda plato pazīmes.

Arhivēšana un mākoņu glabāšana ir tāda vieta, kur Baznīca redz, ka vispirms tiek pieņemta DNS datu glabāšana. Uzņēmumiem, ieskaitot IBM, Microsoft un Technicolor, ir savas pētniecības un attīstības komandas, kas pēta šo teritoriju, viņš atzīmē. Viņš sadarbojās ar Technicolor 2015. gadā, lai DNS saglabātu ceļojumu uz Mēnesi - klasisko filmu, kas celta 1902. gadā. Tagad Technicolor ir daudz DNS kopiju, kas kopā nav lielākas par putekļu gabaliņiem.

Baznīcā ir 93 cilvēku laboratorija, kas strādā pie DNS glabāšanas un šobrīd koncentrējas uz diviem mērķiem. Pirmais ir radikāli uzlabot ātrumu vienā ciklā. Informācija tiek glabāta simtos slāņu, katrs tik biezs kā molekula. Katrs papildinājums pašlaik prasa trīs minūtes, taču Baznīca uzskata, ka to var samazināt līdz mazāk nekā milisekundēm. Tas ir 200 000 reižu ātrāk, viņš norāda, un nozīmē pāreju no organiskās ķīmijas uz bioķīmiju. Viņš arī vēlas mainīt lasīšanas un rakstīšanas instrumentu izgatavošanu, lai tie būtu daudz mazāki. Pašlaik tie ir lieli ledusskapji. Viņš to vēlas samazināt.

Iebūvēta atlaišana un kļūdu labošanas nepieciešamība

Viens pētnieks, kuru ietekmēja Baznīcas 2012. gada zinātnes raksts, ir profesore Olgica Milenkovic no Ilinoisas Universitātes Urbana-Champaign. Rakstā tika minēta kodēšanas nepieciešamība, kas nekavējoties izraisīja viņas interesi. Kodēšana datu glabāšanas izpētē ir metode, lai datiem pievienotu dublēšanu, dublēšanu, ko vēlāk var izmantot, lai labotu kļūdas, kas rodas lasīšanas un rakstīšanas procesā. Piemēru, kāpēc tas ir svarīgi, skatiet divos Citizen Kane attēlos šeit. Milenkoviča komanda abus kodēja DNS un pēc tam nolasīja. Uzminiet, kurš no viņiem izmantoja atlaišanu.

Jums ir taisnība: kreisās puses attēls tika kodēts ar lieku, un labās puses attēls nebija.

Vienkāršs atlaišanas pievienošanas veids ir atkārtot katru rakstzīmi noteiktas reizes. Nevis rakstiet 0, bet rakstiet to četras reizes. Tāda ir brutālā spēka pieeja - vienkārša, bet šausmīgi neefektīva. Miļenkoviča darbs ir par tādas pašas kļūdas korekcijas panākšanu sarežģītākā veidā. Tas nodrošina metodes, ko sauc par paritātes pārbaudēm vai lineārām kongruences pārbaudēm, lai nodrošinātu datu pārbaudes veidus.

"Viss lauks pamatā ir palīdzēt jums labot kļūdas, ja tās parādās, vai, vēl labāk, izvairīties no kļūdām, kuras, kā jūs zināt, ļoti iespējams, ka tās parādīsies, " saka Milenkovičs. "Mēs ieviešam kontrolētu atlaišanu, lai atbrīvotos no kļūdām, un ka kontrolētā atlaišana nav vienkāršas atkārtošanās veidā, jo tas ir ļoti neefektīvi."

Tas ļāva Milenkovicai ienākt laukā, bet viņas pētījums tagad ir par DNS sintēzes milzīgo izmaksu samazināšanu.

"Mans students H. Tabatabae Yazdi, kurš bija ļoti aktīvs šajā tēmā, un es patiešām esmu ļoti centies izdomāt gudru veidu, kā izvairīties no DNS sintezēšanas. DNS sintezēšana ir absolūti šīs tehnoloģijas sašaurinājums augsto izmaksu dēļ., "Saka Milenkovičs.

Lai arī Miļenkoviča ļoti nožēlojami atklāj pārāk daudz par nepublicētiem pētījumiem, viņas risinājums ir saistīts ar “viltīgām matemātiskām pieejām” un viss attiecas uz laiku, kurā intervāla lielumam starp informācijas bitiem ir jēga.

"Ja neizmantojat formalitāti, kuru vēlaties izmantot ATGC, lai patiešām kodētu bināros simbolus noteiktā vietā, jūs varat nākt klajā ar daudz gudrākiem un efektīvākiem informācijas glabāšanas līdzekļiem, jo ​​jums nav nepieciešams sintezēt virzienus atkal un atkal. atkal, "skaidro Milēnkovičs. "Varat tos sintezēt vienu reizi noteiktā veidā un pēc tam gudri kombinatoriski atkārtoti izmantot sintezēto DNS."

Ar savu darbu Milenkovičs cer samazināt DNS sintezēšanas izmaksas vismaz par trim kārtām. Ar to joprojām nepietiek, viņa atzīmē, bet tas ir progress. Tas arī veicina pētījumu virzienu, kas viņai šķiet aizraujošs.

"Godīgi sakot, tas ir ļoti aizraujoši - spēlēt Dievu un kodēt savu informāciju DNS, " saka Milenkovičs. "Tas cilvēkam rada satraukumu, zinot, ka jūs spēlējaties ar izvēlēto dabas molekulu un liekt tai darīt to, ko vēlaties uzglabāt, kodēt un nodot informāciju nākotnei."

Iekasēšana - jebkurā dienā

Tas nav viss sausa putekļainā akadēmiskais pētījums ar DNS glabāšanu. Īrijas uzņēmums Helixworks jau cenšas nopelnīt naudu. Tam ir produkts Amazon - sava veida.

"Mēs izlaidām vietnē Amazon, lai jūs varētu iegūt 512 KB digitālo datu, kas kodēti DNS, " skaidro uzņēmuma līdzdibinātājs Nimesh Pinnamaneni. "Tas ir kaut kas ļoti mazs. Varbūt attēls vai varbūt dzejolis, kaut kas līdzīgs."

Tas ir neparasts pirkums, taču tas varētu būt ideāls mīlestības apliecinājums personai, kurai ir viss, it īpaši, ja šī persona ir zinātniece:

"Es atceros, ka viens klients mums piezvanīja. Viņš gribēja uzdāvināt sievai - viņi abi ir biotehnologi - viņš vēlējās uzdāvināt sievai viņu kāzu gadadienā. Viņš vēlējās ievietot ziņu DNS un dāvināt viņai DNS, " atceras Pinnamaneni. "Viņai nāksies secīgi ievadīt DNS, lai lasītu ziņojumu. Tas ir diezgan sarežģīts veids, kā nosūtīt mīlas vēstījumu, bet varbūt jūs zināt, ka tas ir biotehnologi?"

Bet Helixworks mazliet apsteidza sevi, publicējot savu produktu Amazon 2016. gada augustā, pirms tas bija gatavs izpildīt pasūtījumus. Divi cilvēki iegādājās uzņēmuma 199 USD vērtībā izveidoto DNADrive - 14 karātu zelta kapsulu ar DNS kopu iekšpusē - pirms Helixworks bija spiests izņemt no tirgus savu produktu. DNADrive joprojām ir pieejams Amazon, taču to nav iespējams iegādāties.

Tas nenozīmē, ka Helixworks ir beidzies, vienkārši pārlieku dedzīgi. Tas ir pārāk tālu, lai apstātos tagad. Uzņēmums sākās Boro universitātē Zviedrijā, kur Pinnamaneni (attēlā iepriekš, pa kreisi) un Sachin Chalapati (labajā pusē), cits uzņēmuma līdzīpašnieks, ieguva maģistra grādu biotehnoloģijā. Viņi savāca līdzekļus DNS glabāšanas izpētei, turpināja darbu, kad devās mājās Bangalore, Indijā, un izstrādāja koncepcijas pierādījumu.

Apmaksa par papildu līdzekļiem aizveda viņus uz IndieBio akseleratora programmu, ko vada SOSV, starta riska kapitāla firma Sanfrancisko, Kalifornijā. Programma izvēlējās Helixworks un ieguva USD 50 000 skaidrā naudā un iespēju strādāt no laboratorijas Korkas grāfistē, kur tas ir bijis pēdējos sešus mēnešus. Programmā ietilpst mentorings par produkta sakārtošanu, ko Helixworks izmantos šī gada festivālā South by Southwest, kur tas sacentīsies piķa pasākumā.

Kaut arī zeltaino DNS kapsulu šķelšana galu galā varētu būt ienesīga blakusdarbs, Pinnamaneni saka, ka viņa uzņēmuma nākotne ir kompaktajos mājas un biroja DNS printeros, ko tā šobrīd izstrādā. Viņš vēlas padarīt DNS glabāšanu pietiekami ērtu un pieejamu ikvienam.

"Mēs izdomājām, ka jums ir jābūt kaut kam, kas printerī darbojas kā kārtridžs, " skaidro Pinnamaneni. "Jums vienkārši ir četras krāsas, un šīs četras krāsas var apvienot, lai izveidotu jebkuru iespējamo krāsu, vai ne? Tieši tā darbojas jūsu tintes printeris. Mēs izdomājām, ka mūsu sistēmā ir jābūt kaut kam līdzīgam. Mēs izstrādājām kasetni ar 32 reaģentiem, kas var apvienot, lai izveidotu jebkuru iespējamo DNS secību."

Kamēr citas laboratorijas maksā apmēram 30 000 USD katru reizi, kad tām nepieciešama sintezēta DNS - operācija, kuras veikšana prasa nedēļas, Pinnamaneni saka, ka viņa izgudrojums var dramatiski samazināt izmaksas un laiku. Helixworks sadarbojas ar Opentrons, uzņēmumu, kas ražo automatizētu laboratoriju aprīkojumu, lai izveidotu printeri. Tas ir tas, ko tas pievilks SXSW.

"Tas, ko mēs demonstrēsim expo stāvā, ir DNS rakstīšana tieši jūsu acu priekšā, " saka Pinnamaneni.

Uzņēmums vēl nepieņems pasūtījumus. Un tas ir labi, jo tas romantiskais biotehnologs joprojām gaida savu jubilejas dāvanu.