זקוק לאחסון נוסף? נסה dna

מהנדסים דוחפים בהצלחה יותר אחסון לחללים קטנים יותר במשך עשרות שנים, אך זה לא יכול להימשך לנצח. הקפיצה הגדולה הבאה באחסון נתונים יכולה ללבוש צורה של ה- DNA בתוך כל החומר האורגני: מדענים במעבדות ברחבי הארץ מבצעים ניסויים ב- DNA סינטטי כאמצעי אחסון.

"אם אתה מסתכל לאן הולכת האלקטרוניקה, טכנולוגיית סיליקון, הרבה מהטכנולוגיה הבסיסית שאנו משתמשים בה לבניית מחשבים כיום, אנחנו מתקרבים לגבול כמעט בכולם", אומר לואיס אנריקה צ'זה, פרופסור חבר למדעי המחשב. והנדסה באוניברסיטת וושינגטון. "DNA צפוף מאוד, הוא עמיד מאוד, ונדרש מעט מאוד כוח לתחזוקה, כך שיש יתרון רב בשימוש ב- DNA לאחסון נתונים."

Ceze עבד עם קארין שטראוס, חוקרת אדריכלות מחשבים במחקר של מיקרוסופט, על שיתוף פעולה בין שני המוסדות - פרויקט המגשר בין מדעי המחשב והביולוגיה. עבור צוות של בערך 20 איש, האוניברסיטה מספקת את הביולוגים המולקולריים, ומיקרוסופט מספקת את מדעני המחשבים.

כדי להבין כיצד ניתן להשתמש ב- DNA לאחסון, קחו בחשבון שכל נתוני המחשב הם בינאריים, או base-2. ה- DNA הוא בסיס -4, המורכב מאדנין, ציטוזין, גואנין ותימין (מקוצר ל- A, C, G ו- T). השלב הראשון הוא המרת מידע בסיס 2 לבסיס 4, כך A תואם 00, C ל 01, G ל 10, ו- T ל 11 (זה מפשט את זה קצת אבל עובר את הרעיון).

ואז מדענים משתמשים במכונה הנקראת סינתיסייזר DNA כדי לשלב את ארבעת הכימיקלים בסדר הנכון. התוצאה מאחסנת את המידע פעמים רבות כאשכול דמוי מלח שקטן מקצה העיפרון. קריאת מידע זה בחזרה דורשת רצף DNA.

למרות שזה עשוי להישמע שביר - כמו משהו שעלול להתפוצץ כשדלת נפתחת לפתע, DNA הוא המדיום הכי חזק לאחסון נתונים שראינו. מדענים קראו בהצלחה ב- DNA שגילו מאות אלפי שנים.

רצף ה- DNA כרוך בהסרת מעט מהחומר המאוחסן, והתהליך מדלדל את הדגימה. כתוצאה מכך, ניתן לקרוא הקלטת DNA מספר פעמים סופית. עם זאת, זו לא בעיה, מכיוון שבחומר המאוחסן יש כל כך הרבה נתונים מיותרים; ניתן לדגום אותו שוב ושוב. במדיות האחסון של היום יש גם מספר מצומצם של מחזורי כתיבה וקריאה לפני שהם נכשלים, כך שזה לא חדש.

כפי שמציין ציז, ה- DNA לעולם לא יהיה מיושן. בעוד שרבים מאיתנו מחזיקים דיסקים בחלק האחורי של מגירה שאנחנו כבר לא יכולים לקרוא, זה לא יהיה גורלו של ה- DNA. "תמיד אכפת לנו מ- DNA מסיבות מדעי החיים ומסיבות בריאותיות, כך שתמיד תהיה לך דרך לקרוא מידע המאוחסן ב- DNA, " אומר Cze.

ביולי 2016 קידמו מיקרוסופט ואוניברסיטת וושינגטון בהצלחה 200MB של נתונים לצורת DNA, כשהם מצליחים להשיג את השיא הקודם של 22MB. באמצעות DNA, טוענת שטראוס, ניתן יהיה לאחסן נתונים בודדים של נתונים - זה כמיליארד ג'יגה-בייט - בקוביה של אינץ '.

"עשינו הערכה לכמה נתונים אתה יכול להכניס לנפח מסוים", אומר שטראוס. "ניסינו להעריך מה יהיה הנפח אם היינו מחליטים היום לארכיב את כל האינטרנט הנגיש, כלומר כל מה שאינו עומד מאחורי סיסמה או שום סוג של קיר אלקטרוני. הגענו לגודל של ארגז נעליים גדול."

זה נשמע כמו הצעה מרוחקת, אבל Ceze מאמין שנראה מערכות אחסון DNA מסחריות בשוק בעוד עשור. הם לא יעבדו בדיוק כמו אחסון מיקרו-מעבד, מכיוון ש- DNA דורש סביבה כימית רטובה ליצירה, אך הם יספקו יכולת מסיבית וגישה אקראית באותה מהירויות שמציעות מערכות קלטת ארגוניות כעת.

שדה מתקדם במהירות

DNA קיים כבר מיליארדי שנים, אולם הדגמות של DNA כטכנולוגיית אחסון שמיש החלו בשנת 1986 כאשר חוקר ה- MIT ג'ו דייוויס קידד תמונה בינארית פשוטה ל- 28 זוגות בסיסיים של DNA.

חלוץ נוסף בתחום זה הוא כנסיית ג'ורג ', פרופסור לגנטיקה העובד בבית הספר לרפואה של הרווארד מאז 1977 ומנהל מעבדה משלו מאז 1986. הכנסייה מעוניינת להוזיל את עלויות קריאת הכתיבה והכתיבה ב- DNA מאז שנות השבעים, מתוך אמונה שיום אחד הם יתאגדו כדי ליצור אחסון נתונים מעשי. הוא התעניין בעבודה על מחקר DNA סביב שנת 2000 וביצע בדיקות רצף וסינתזה קריטיים בשנת 2003 ו -2004. עד 2012 הצליח לחבר בין שני התחומים וליצור מערכת לקידוד נתונים. הוא כתב את העבודה במאמר משפיע ב -2012 במדע .

"לפני 2003 ו- '04, רצף וסינתזה נעשו בעיקרם בנימים - או צינורות קטנים - שם היה לכם צינור אחד לכל רצף, " מסביר צ'רץ '. "זה היה די ידני ולא ניתן להרחבה. השיעור שלמדנו מתעשיית המוליכים-למחשבים המייצרים מיקרו-הייצור היה שאתה צריך למצוא דרך להציב אותם בעיקרם במישור דו-ממדי ואז לפרט את גודל התכונה. אף אחד מהם לא שיטות מבוססות עמודות היו תואמות לזה, וכך בשנת 2003 הראנו כיצד ניתן להפיץ רצפים על מישור דו-ממדי ואז לדמיין אותם עם הדמיה פלואורסצנטית שמהווה כעת את הדרך הדומיננטית של רצף. ואז בשנת 2004 הראינו ש אתה יכול לייצר DNA במטוס ואז להחליק אותו ואז הוא יכול להיות אפילו יותר קומפקטי: כך שהמטוס היה רק ​​מקום זמני לסנתז אותם ואז תוכל לדחוס אותם לאובייקט תלת מימדי שהיה מיליוני פעמים אחסון נתונים קומפקטי יותר מהרגיל.

"אלה היו הוכחה לתרגילי קונספט בשנת 2003 וב -2004. בשנת 2012, אנו ואחרים חידדנו את שיטות הקריאה והכתיבה ל- DNA, והרכבתי אותם לניסוי אחד בו קידמתי ספר שרק כתבתי ל- DNA, כולל תמונות, המראות שבעצם כל דבר שהוא דיגיטלי יכול להיות מקודד עם DNA."

על אף שהעלות מהווה מכשול משמעותי לאחסון ה- DNA, צ'רץ 'מציינת כי המחיר ירד בצורה תלולה בזמן הקצר בו נערך מחקר. עלות קריאת ה- DNA השתפרה פי שלושה מיליון, ואילו עלות הכתיבה השתפרה פי מיליארד. הוא יכול לראות את שניהם משתפרים פי מיליון בעוד פחות זמן. הוא גם מציין כי עלות העתקת חומר ה- DNA כמעט חינם, כמו גם עלות האחסון לטווח הארוך. לאחסון ארכיוני, עלות קריאת הנתונים אינה מכשול גדול, מכיוון שחומרים ארכיון רבים לא נקראים אף פעם, ופריטים מסוימים נקראים באופן סלקטיבי. תראה את העלויות של המערכת כולה, הוא מייעץ. שיטות אחסון מסורתיות נעות במהירות החוק של מור ויגיעו לרמה בקרוב. אולם טכנולוגיית אחסון ה- DNA נעה מהר יותר מחוק מור ואינה מציגה שום סימני רמה.

אחסון ארכיוני וענן הוא המקום בו הכנסייה רואה לראשונה אחסון נתונים של DNA. לחברות כולל יבמ, מיקרוסופט וטכניקולור יש צוותי מחקר ופיתוח משלהם העוסקים בתחום, הוא מציין. הוא שיתף פעולה עם Technicolor בשנת 2015 בכדי לאחסן "טיול לירח" , סרט קלאסי משנת 1902 שהאמין בעבר שאבד, ל- DNA. כעת יש לטכניקולור עותקי DNA רבים אשר יחד הם אינם גדולים יותר מכתם אבק.

בכנסייה יש מעבדה המונה 93 אנשים העובדים על אחסון DNA וכעת היא מתמקדת בשני יעדים. הראשון הוא לשפר באופן קיצוני את המהירות בכל מחזור. המידע מאוחסן במאות שכבות, כל אחת עבה כמו מולקולה. כל תוספת נמשכת כרגע שלוש דקות, אך צ'רץ 'מאמין שניתן להוריד אותה פחות מפיות אלפיות השנייה. זה מהיר פי 200, 000, הוא מציין, ומשמעותו מעבר מכימיה אורגנית לביוכימיה. הוא גם רוצה לשנות את אופן ייצורם של הכלים המשמשים לקריאה וכתיבה כדי להפוך אותם לקטנים בהרבה. נכון לעכשיו, הם בגודל של מקררים גדולים. הוא רוצה את זה שיורד.

יתירות מובנית והצורך בתיקון שגיאות

חוקרת אחת שהושפעה ממאמר המדע של הכנסייה משנת 2012 היא הפרופסור אולג'יקה מילנקוביץ 'מאוניברסיטת אילינוי, אורבנה-שמפיין. במאמר צוין הצורך בקידוד, מה שגרם מייד להתעניינותה. קידוד במחקר אחסון הוא טכניקה להוספת יתירות לנתונים, יתירות שאפשר להשתמש בה בהמשך לתיקון שגיאות המתרחשות במהלך תהליך הקריאה והכתיבה. לדוגמא מדוע זה חשוב, ראו כאן את שתי תמונות Citizen Kane. שניהם קודדו ב- DNA על ידי הצוות של מילנקוביץ 'ואז נקראו. נחשו מי מהם השתמש ביתירות.

אתה צודק: התמונה השמאלית קידדה יתירות, והתמונה הימנית לא הייתה.

דרך פשוטה להוסיף יתירות היא חזרה על כל תו מספר מוגדר של פעמים. במקום לכתוב 0, כתוב את זה ארבע פעמים. זו הגישה של כוח הזרוע - פשוטה אך לא יעילה במיוחד. עבודתו של מילנקוביץ 'עוסקת בהשגת אותו תיקון שגיאות בצורה מתוחכמת יותר. זה כרוך בטכניקות שנקראות בדיקות זוגיות או בדיקות הלימה ליניארית כדי לספק דרכים לאימות נתונים.

"השדה כולו עוסק בעצם בתיקון שגיאות אם הן מופיעות או, אפילו יותר טוב, להימנע משגיאות שאתה יודע שעשויות להופיע מאוד", אומר מילנקוביץ '. "אנו מציגים יתירות מבוקרת כדי להיפטר מטעויות, ויתירות מבוקרת אינה בצורה של חזרה פשוטה, כי זה מאוד לא יעיל."

זה מה שהביא את מילנקוביץ 'לתחום, אבל המחקר שלה כעת עוסק בהורדת העלות העצומה של סינתזת DNA.

"הסטודנט שלי, ח. טבטאבה יזדי, שהיה פעיל מאוד בנושא הזה, ואני משתדל מאוד למצוא דרך חכמה להימנע מסינתזת DNA. סינתזת DNA היא בהחלט צוואר בקבוק לטכנולוגיה זו בגלל העלות הגבוהה, "אומר מילנקוביץ '.

אף על פי שמילנקוביץ 'חושבת לחשוף יותר מדי על מחקר שלא פורסם, הפיתרון שלה כרוך ב"גישות מתמטיות ערמומיות "ועוסק בתזמון, בו גודל המרווח בין פיסות המידע הוא בעל משמעות.

"אם אתה מוותר על הפורמליות שאתה רוצה להשתמש ב- ATGCs כדי לקודד באמת סמלים בינאריים במיקום מסוים, אתה יכול למצוא אמצעים חכמים ויעילים הרבה יותר לאחסון מידע, מכיוון שאתה לא צריך לסנתז קווצות שוב ושוב שוב, "מסביר מילנקוביץ '. "אתה יכול לסנתז אותם פעם אחת בדרך מסוימת ואז לעשות שימוש חוזר בסינכרון ה- DNA בצורה קומבינטורית חכמה."

באמצעות עבודתה מקווה מילנקוביץ 'להוזיל את עלות סינתזת ה- DNA לפחות לשלושה סדרי גודל. זה עדיין לא מספיק, היא מציינת, אבל זו התקדמות. זה גם תורם לשורה של מחקר שהיא מוצאת מרתקת.

"זה מאוד מרגש, אם להיות כנה, לשחק את אלוהים ולקודד מידע משלך ב- DNA, " אומר מילנקוביץ '. "זה נותן לאדם תחושה של התרגשות לדעת שאתה משחק עם מולקולה טבעית נבחרת וגורם לו לעשות את מה שאתה רוצה לאחסן ולקודד ולהעביר מידע לעתיד."

מזומן - כל יום עכשיו

לא הכל מחקר אקדמי יבש ומאובק עם אחסון DNA. הליקסוורקס, חברה שמקורה באירלנד, מנסה כבר להרוויח מזה כסף. יש לו מוצר באמזון - סוג של.

"השקנו באמזון כדי שתוכל לקבל 512KB של נתונים דיגיטליים המקודדים ל- DNA", מסביר נמש פינמנני, מייסד החברה. "זה משהו מאוד קטן. אולי תמונה או אולי שיר, משהו כזה."

זו רכישה יוצאת דופן, אבל זה יכול להיות האהבה המושלמת לאדם שיש לו הכל, במיוחד אם אותו אדם הוא מדען:

"אני זוכר שלקוח אחד התקשר אלינו. הוא רצה לתת מתנה לאשתו - שתיהן ביוטכנולוגיות - הוא רצה לתת מתנה לאשתו ביום השנה לחתונה שלהם. הוא רצה להכניס הודעה ל- DNA ולהעניק לה DNA, " נזכר פינמנני. "היא תצטרך לרצף את ה- DNA כדי לקרוא את ההודעה. זו דרך די מסובכת לשלוח הודעת אהבה, אבל אולי זה חמוד לביו-טכנולוגים, אתה יודע?"

אולם הליקסוורקס הקדימה את עצמה לפרסם את המוצר שלה באמזון באוגוסט 2016, לפני שהייתה מוכנה למלא הזמנות. שני אנשים רכשו את DNADrive בסך 199 דולר של החברה - קפסולת זהב 14 קראט עם אשכול של DNA בפנים - לפני שהליקסוורקס נאלצה למחוק את המוצר שלה. DNADrive עדיין נמצא באמזון, אך לא ניתן לרכוש אותו.

זה לא אומר ש- Helixworks הסתיימה, פשוט להוטה מדי. זה רחוק מכדי להפסיק עכשיו. החברה החלה באוניברסיטת בורוס בשוודיה, שם קיבלו פינננני (בתמונה למעלה, משמאל) וסכין צ'אלאפטי (מימין), המייסד האחר של החברה, תארים שני בביוטכנולוגיה. הם גייסו כספים למחקר אחסון DNA, המשיכו בעבודתם בבית בבנגלור בהודו ופיתחו הוכחת מושג.

גיוס כספים נוספים הביא אותם לתוכנית המאיץ IndieBio המנוהלת על ידי SOSV, חברת הון סיכון סטארט-אפ בסן פרנסיסקו, קליפורניה. הליקסוורקס נבחרה על ידי התוכנית וזכתה ב -50 אלף דולר במזומן וביכולת לעבוד ממעבדה במחוז קורק, שם הייתה במשך ששת החודשים האחרונים. התוכנית כוללת חונכות בנושא פיצוץ של מוצר, ש- Helixworks תשתמש בו בפסטיבל South by Southwest השנה, שם תתמודד באירוע המגרש.

אף על פי שניקוז כמוסות DNA מוזהבות עשוי בסופו של דבר להיות קו משתלם, פינימנני אומר כי עתיד החברה שלו נמצא במדפסות ה- DNA הקומפקטיות של הבית והמשרד שהיא מפתחת כעת. הוא רוצה להפוך את אחסון ה- DNA לקל ופחות נוח לכל אחד שישתמש בו.

"גילינו שאתה צריך שיהיה לך משהו שעובד כמו מחסנית במדפסת, " מסביר פינננני. "יש לך רק ארבעה צבעים, וארבעת הצבעים האלה יכולים להשתלב כדי ליצור כל צבע אפשרי, נכון? ככה מדפסת הדיו שלך עובדת. גילינו שאנחנו צריכים להיות במערכת שלנו משהו כזה. עיצבנו מחסנית של 32 ריאגנטים ניתן לשלב ליצירת רצף DNA אפשרי."

בעוד שמעבדות אחרות משלמות בסביבות 30, 000 $ בכל פעם שהן צריכות להיות מסונתזות DNA, פעולה שנמשכת שבועות לביצוע, אומר פינמנני שהמצאתו יכולה להוזיל באופן דרמטי את העלות והזמן. Helixworks עובדת עם Opentrons, חברה שמייצרת ציוד מעבדה אוטומטי, כדי ליצור את המדפסת. זה מה שהוא יגיע ב- SXSW.

"מה שנדגים בקומת האקספו הוא כתיבת DNA ממש לנגד עיניך", אומר פינננני.

החברה עדיין לא תבצע הזמנות. וזה טוב, כי אותו ביוטכנולוגיה רומנטית עדיין מחכה למתנת יום השנה שלו.