I løbet af de sidste mange år har forskere afkodet genomerne på 700.000 år gamle mammutter og heste ved hjælp af DNA-fragmenter ekstraheret fra fossiler. DNA holder bestemt meget længere end organismer, som det bærer genetiske koder for. Computervidenskabere og ingeniører har længe drømt om at udnytte DNA's begrænsning og modstandsdygtighed til at gemme digitale data. De ønsker at kode alle disse nuller og nøgler i molekylerne A, C, G og T, som danner spiraltrappen af DNA-polymer - og dette tiårs fremskridt inden for DNA-syntese og sekventering har ført til et stort gennembrud. Nylige eksperimenter har vist, at vi en dag vil være i stand til at kode al verdens digitale information i et par liter DNA - og læse den igen tusinder af år senere.
Interessen fra Microsoft og andre teknologivirksomheder øger spændingerne på dette område. Sidste måned sagde Microsoft Research, at det ville betale den syntetiske biologistart Twist Bioscience for at oprette 10 millioner DNA-tråde designet af Microsofts computerforskere til at gemme data. Den førende hukommelsesproducent Micron Technology finansierer også forskning i DNA-lagring for at afgøre, om et nukleinsyresystem kan skubbe grænserne for elektronisk hukommelse. Denne tilstrømning af penge og renter kan gradvist reducere ublu omkostninger og gøre det muligt at lagre data i DNA inden for ti år, siger forskerne.
Mennesker genererer over 16 billioner gigabyte digitale data inden 2017, og det meste skal arkiveres. Juridiske, økonomiske og medicinske data samt selvfølgelig multimediefiler. I dag lagres data på harddiske, optiske diske i energiintensive datacentre på størrelse med et lager. I bedste fald gemmes disse data i tredive år, i værste fald - flere. Derudover ifølge Microsoft Research computerarkitekt Karin Strauss, "Vi producerer meget mere data end lagerindustrien kan gøre, og fremskrivningerne viser, at kløften vil blive større."
Lad os nu tilføje DNA til alt dette. Det kan leve i århundreder, hvis det opbevares på et køligt, tørt sted. I teorien kan den pakke milliarder gigabyte data i en sukkerterning. Tape, det tætteste lagringsmedium, der findes i dag, kan rumme 10 gigabyte i samme mængde plads.”DNA er et utroligt tæt, holdbart og ikke-flygtigt lagringsmedium,” siger Olgica Milenkovic, professor i elektroteknik og computerteknik ved University of Illinois i Urbana-Champaign.
Dette skyldes, at hver af de fire bygningsmolekyler - adenin (A), cytosin ©, guanin (G) og thymin (T) - optager et kubisk nanometer i volumen. Ved hjælp af et kodningssystem - sig, hvor A repræsenterer bitene "00", C repræsenterer "01" og så videre - kan forskere tage rækkerne med en og nuller, der udgør digitale datafiler og oprette en DNA-streng, der indeholder et øjebliksbillede eller en video. Selvfølgelig er den virkelige kodningsteknik meget mere kompliceret, end vi skrev til dig her. Syntesen af en designer DNA-streng er processen med at skrive data. Forskere kan derefter læse dem ved at sekvensere kæderne.
Harvard-genetikeren George Church grundlagde dette forskningsområde i 2012 ved at indkode 70 milliarder eksemplarer af bogen - en million gigabit - i en kubik millimeter DNA. Et år senere viste forskere fra Det Europæiske Institut for Bioinformatik, at de uden en enkelt fejl kunne læse 739 kilobyte data indeholdt i DNA.
Sidste år demonstrerede flere hold forskere fuldt fungerende systemer. I august indkapslede forskere ved ETH Zürich syntetisk DNA i glas, udsat for betingelser, der simulerede udløbet af 2.000 år, og gendannede de kodede data fuldstændigt. Parallelt rapporterede Milenkovic og hendes kolleger, at seks amerikanske universiteter havde gemt Wikipedia-sider i DNA og - ved at give sekvenserne specielle "adresser" - selektivt læst og redigeret dele af den skrevne tekst. Tilfældig adgang til data er meget vigtigt for at undgå at skulle "sekvensere en hel bog for kun at læse et afsnit," siger Milenkovich.
I april rapporterede Strauss og videnskabsmændene Jord Seelig og Luis Tsese fra University of Washington, at de var i stand til at optage tre billedfiler, hver flere titalls kilobyte, i 40.000 DNA-tråde ved hjælp af deres eget kodningsskema og derefter læse dem individuelt, ikke laver fejl. De præsenterede deres arbejde i april på konferencen i Association for Electronic Computing. Med de 10 millioner strenge, som Microsoft køber fra Twist Bioscience, planlægger forskere at bevise, at DNA-data kan lagres i meget større skala.”Vores mål er at demonstrere et endeligt system, hvor vi koder DNA-filer, syntetiserer molekyler, gemmer dem i lang tid og derefter gendanner dem ved at sekventere DNA'et,” siger Strauss. "Vi starter med beats og går tilbage til beats."
Salgsfremmende video:
Hukommelsesproducent Micron studerer DNA som en post-silicium-teknologi. Virksomheden finansierer forskere fra Church og University of Idaho for at skabe et fejlfrit lagringssystem i DNA.”De stigende lageromkostninger vil føre til alternative løsninger, og DNA-lagring er en af de mest lovende løsninger,” sagde Gurtei Sandu, direktør for avanceret teknologiudvikling hos Micron.
Forskere leder stadig efter måder at reducere antallet af fejl i datakodning og afkodning. Men det meste af teknologien er allerede på plads. Så hvad forhindrer os i at flytte fra datalager til skokasse i størrelse til glaskapsler af DNA? Koste.”Optagelsesprocessen er en million gange dyrere,” siger Seelig.
Her er hvorfor: Fremstilling af DNA indebærer at strenge molekyler i nanostørrelse en efter en med høj præcision - ikke en let opgave. Selvom omkostningerne ved sekventering faldt på grund af den hurtigt voksende efterspørgsel efter denne service, havde DNA-syntese ikke en lignende driver på markedet. Milenkovic betalte omkring $ 150 for at skabe en streng på 1000 syntetiserede nukleotider. Sekventering af en million nukleotider koster omkring en cent.
Interessen for datalagring fra Microsoft og Micron kan være netop det momentum, der er nødvendigt for at begynde at reducere omkostningerne, siger Seelig. Smart engineering og nye teknologier som mikrofluidik og nanopore DNA-sekventering, der hjælper med at reducere og fremskynde processen, hjælper også med at komme videre. Det tager nu timer at sekvensere flere hundrede basepar - og dage at syntetisere dem - ved hjælp af en masse udstyr. Jeg ville ønske, at jeg kunne gøre alt dette i en lille kasse, ellers ville fordelen ved lagertæthed gå tabt.
Hvis alt går godt, forestiller Strauss virksomheder, der tilbyder arkivering af DNA-konserveringstjenester i det næste årti. "Du kan åbne din browser og uploade filer til deres websted eller tage dine bytes tilbage som med skyen," siger hun. Eller du kan købe en DNA-disk i stedet for en harddisk.
ILYA KHEL
