Potrebujete nekaj dodatnega prostora za shranjevanje? poskusi dna

Inženirji že desetletja uspešno potiskajo več prostora za shranjevanje v manjše prostore, vendar to ne more trajati večno. Naslednji velik skok shranjevanja podatkov bi lahko bil v obliki DNK znotraj vse organske snovi: Znanstveniki v laboratorijih po državi eksperimentirajo s sintetično DNK kot nosilcem za shranjevanje.

"Če pogledate, kam gre elektronika, silicijeva tehnologija, veliko osnovne tehnologije, ki jo danes uporabljamo za izdelavo računalnikov, se v skoraj vseh njih približujemo meji, " pravi Luis Henrique Ceze, izredni profesor računalništva in inženiring na Univerzi v Washingtonu. "DNK je zelo gost, je zelo trpežen in za vzdrževanje potrebuje zelo malo energije, zato je uporaba DNK za shranjevanje podatkov veliko."

Ceze sodeluje s Karin Strauss, raziskovalko računalniške arhitekture pri Microsoftovem raziskovanju, pri sodelovanju med obema institucijama - projektu, ki povezuje računalništvo in biologijo. Univerza za približno 20 ljudi zagotavlja molekularne biologe, Microsoft pa računalničarje.

Če želite razumeti, kako se lahko DNK uporablja za shranjevanje, upoštevajte, da so vsi računalniški podatki dvojiški ali osnovni-2. DNA je baza-4, sestavljena iz adenina, citozina, gvanina in timina (okrajšana kot A, C, G in T). Prvi korak je pretvorba podatkov baze-2 v bazo-4, zato A ustreza 00, C 01, G 10 in T do 11 (kar malo poenostavi, vendar preide na idejo).

Nato znanstveniki uporabljajo stroj, imenovan sintetizator DNK, za kombiniranje štirih kemikalij v pravem vrstnem redu. Rezultat shrani informacije večkrat kot grozd v obliki soli, manjši od konice svinčnika. Za branje teh informacij je potreben sekvence DNK.

Čeprav se to morda sliši krhko - kot nekaj, kar lahko odpihne, ko se vrata nenadoma odprejo, je DNK najmočnejši medij za shranjevanje podatkov, kar smo jih videli. Znanstveniki so uspešno prebrali DNK, ki je star več sto tisoč let.

Zaporedna DNK vključuje odstranjevanje drobnega kosa shranjenega materiala in postopek izčrpa ta vzorec. Posledično lahko posnetek DNK preberemo končno večkrat. Vendar to ni problem, saj ima shranjeno gradivo toliko odvečnih podatkov; vzorčiti ga je mogoče znova in znova. Današnji mediji za shranjevanje imajo tudi omejeno število ciklov pisanja in branja, preden ne uspejo, zato to ni nič novega.

Kot poudarja Ceze, DNK ne bo nikoli zastarel. Medtem ko imajo mnogi od nas diskete na zadnjem delu predala, ki jih ne moremo več brati, to ne bo usoda DNK. "Vedno bomo skrbeli za DNK zaradi življenjskih ved in zdravstvenih razlogov, zato boste vedno imeli možnost branja informacij, shranjenih v DNK, " pravi Ceze.

Julija 2016 sta Microsoft in Univerza v Washingtonu uspešno kodirala 200 MB podatkov v obliko DNK, kar je najbolje, kar je bilo v prejšnjem zapisu v višini 22 MB. Z uporabo DNK bo Strauss povedal, da bo mogoče v 1-palčno kocko shraniti 1 ekbabajt podatkov - to je 1 milijarda GB.

"Ocenili smo, koliko podatkov bi lahko dali v določenem obsegu, " pravi Strauss. "Poskušali smo oceniti, kakšen bi bil obseg, če bi se danes odločili, da bomo arhivirali celoten dostopni internet, kar pomeni vse, kar ne stoji za geslom ali kakršno koli elektronsko steno, in prišli smo do velikosti velikega predala za čevlje."

To se sliši kot daleč, vendar Ceze verjame, da bomo čez desetletje na trgu videli komercialne sisteme za shranjevanje DNK. Ne bodo delovale tako kot mikroprocesorska shramba, saj DNK za ustvarjanje potrebuje vlažno kemično okolje, vendar bodo zagotovili ogromno zmogljivost in naključen dostop z enakimi hitrostmi, kot jih imajo zdaj podjetniški tračni sistemi.

Hitro napredovalno polje

DNK obstaja že več milijard let, vendar so se demonstracije DNK kot uporabne tehnologije shranjevanja začele leta 1986, ko je raziskovalec MIT Joe Davis kodiral preprosto binarno sliko v 28 baznih parov DNK.

Drug pionir na tem področju je George Church, profesor genetike, ki je na Harvard Medical School delal od leta 1977, svoj laboratorij pa vodi od leta 1986. Church je od sedemdesetih let prejšnjega stoletja zainteresiran za znižanje stroškov branja in pisanja DNK, saj verjame, da bo to nekega dne združili bi se, da bi ustvarili praktično shranjevanje podatkov. Z raziskavami DNK se je začel ukvarjati okoli leta 2000 in v letih 2003 in 2004. opravil kritične preskuse zaporedja in sinteze. Do leta 2012 je lahko obe področji sestavil in ustvaril sistem za kodiranje podatkov. To delo je napisal v vplivnem članku iz leta 2012 v Science .

"Pred letoma 2003 in 2004 so sekvenciranje in sinteza potekali v bistvu v kapilarah - ali majhnih cevkah -, kjer bi imeli eno cevko na zaporedje, " pojasnjuje Church. "Bilo je precej ročno in ne nadgradljivo. Nauk, ki smo se ga naučili iz mikrofabrikacijske polprevodniške industrije, je bil, da morate izumiti način, da jih v bistvu postavite v dvodimenzionalno ravnino in nato zmanjšate velikost značilnosti. Metode, ki temeljijo na stolpcih, so bile združljive s tem in tako smo leta 2003 pokazali, kako lahko razporedite sekvence na dvodimenzionalni ravnini in jih nato posnamete s fluorescentnim slikanjem, ki je zdaj prevladujoč način zaporedja. Nato smo leta 2004 pokazali, da lahko izdelate DNK na letalu in ga nato zdrsnete, nato pa bi bil lahko še bolj kompakten, zato je bilo letalo le začasen prostor za njihovo sintezo. Nato bi jih lahko kompaktirali v tridimenzionalni objekt, ki je bil milijone krat bolj kompaktno kot običajno shranjevanje podatkov.

"To sta bila dokaz konceptnih vaj v letih 2003 in 2004. Leta 2012 sva z drugimi izpopolnila tako metode branja in pisanja DNK, in združila sem jih v en eksperiment, kjer sem kodirala knjigo, ki sem jo pravkar zapisala v DNK, vključno s slikami, ki kažejo, da je v bistvu vse, kar je digitalno, lahko kodirano z DNK."

Čeprav so stroški pomembna ovira za shranjevanje DNK, Church ugotavlja, da je cena strmo padla v kratkem času, ko so bile opravljene raziskave. Stroški branja DNK so se izboljšali za približno 3 milijone-krat, medtem ko so se stroški pisanja izboljšali za milijardo krat. Opaziti je lahko, da se je v še krajšem času izboljšalo za en milijon krat. Poudarja tudi, da so stroški kopiranja DNK materiala skoraj brezplačni, prav tako tudi stroški dolgotrajne hrambe. Za arhivsko shranjevanje stroški branja podatkov niso velika ovira, saj veliko arhiviranega gradiva ni nikoli prebrano, nekateri predmeti pa se berejo selektivno. Poglejte stroške celotnega sistema, svetuje. Tradicionalne metode shranjevanja se gibljejo z Moore's Law hitrostjo in kmalu bodo planote. Toda tehnologija shranjevanja DNK se giblje hitreje kot Mooreov zakon in ne kaže nobenih znakov planotiranja.

V arhivu in shranjevanju v oblaku je Cerkev najprej sprejela shranjevanje DNK podatkov. Podjetja, vključno z IBM, Microsoft in Technicolor, imajo svoje raziskovalne in razvojne ekipe, ki preučujejo to področje, ugotavlja. Leta 2015 je s Technicolorjem sodeloval pri shranjevanju DNK na klasični film iz leta 1902, ki je nekoč verjel, da je izgubljen. Zdaj ima Technicolor veliko kopij DNK, ki skupaj niso večje od prahu.

Church ima laboratorij 93 ljudi, ki delajo na področju shranjevanja DNK in se trenutno osredotočajo na dva cilja. Prvo je radikalno izboljšati hitrost na cikel. Informacije so shranjene v več sto plasteh, od katerih je vsaka debela kot molekula. Vsak dodatek trenutno traja tri minute, toda Church meni, da ga je mogoče zmanjšati na manj kot milisekundo. To je 200.000-krat hitrejše, ugotavlja, in pomeni spremembo od organske k biokemije. Prav tako želi spremeniti način izdelave instrumentov, ki se uporabljajo za branje in pisanje, da postanejo veliko manjši. Trenutno so velikosti velikih hladilnikov. Želi, da se to zmanjša.

Vgrajena odvečnost in potreba po odpravi napak

Ena raziskovalka, na katero je vplival članek Church of Science iz leta 2012, je profesorica Olgica Milenković z univerze v Illinoisu, Urbana-Champaign. V članku je omenjena potreba po kodiranju, kar je takoj sprožilo njeno zanimanje. Kodiranje raziskav v pomnilnikih je tehnika za dodajanje odvečnosti podatkov, odvečnost, ki jo lahko kasneje uporabimo za odpravljanje napak, ki se pojavijo med branjem in pisanjem. Primer, zakaj je to pomembno, si oglejte dve sliki Citizen Kane tukaj. Milenkovićeva ekipa je v DNK obe zakodirala in nato prebrala. Uganite, kateri je uporabil odveč.

Pravite: slika na levi strani je bila kodirana z odvečnostjo, slika desne pa ne.

Preprost način dodajanja odvečnosti je ponavljanje vsakega znaka večkrat. Namesto da bi napisali 0, ga napišite štirikrat. Tak pristop je najstrožji - preprost, a strašno neučinkovit. Milenkovićevo delo je doseči enako odpravo napak na bolj prefinjen način. Vključuje tehnike, imenovane preverjanje paritete ali linearne preglede skladnosti, da se zagotovi način preverjanja podatkov.

"Celotno področje v bistvu je, da vam pomagamo odpraviti napake, če se pojavijo ali, še bolje, izognete se napakam, za katere veste, da se zelo verjetno pojavijo, " pravi Milenkovićeva. "Uvedemo nadzorovano odpuščanje, da se znebimo napak, in nadzorovano odpuščanje ni v obliki preprostega ponavljanja, ker je to zelo neučinkovito."

To je tisto, kar je Milenkovićevo pripeljalo na teren, zdaj pa njene raziskave kažejo na zmanjšanje ogromnih stroškov sinteze DNK.

"Moj študent H. Tabatabae Yazdi, ki je bil zelo aktiven na to temo, in se zelo trudim, da bi zasnoval pameten način, da ne bi sintetiziral DNK. Sintetizacija DNK je zaradi visokih stroškov popolnoma ozko grlo za to tehnologijo., «Pravi Milenkovič.

Čeprav Milenkovićeva zelo rada razkrije neobjavljene raziskave, njena rešitev vključuje "zvit matematične pristope" in je časovna, pri čemer je velikost intervala med kosi informacij pomembna.

"Če se ne strinjate s formalnostjo, ki jo želite uporabiti ATGC, da bi resnično kodirali binarne simbole na določenem mestu, lahko najdete veliko pametnejša in učinkovitejša sredstva za shranjevanje informacij, saj vam ni treba sintetizirati pramenov znova in znova spet, «razloži Milenkovič. "Lahko jih sintetizirate enkrat na določen način in nato sintetizirano DNK ponovno uporabite na pametni kombinatorni način."

S svojim delom Milenkovič upa, da bo stroške za sintezo DNK znižal za vsaj tri zaporedje. To še vedno ni dovolj, ugotavlja, a napredek je. Prispeva tudi k raziskavam, ki se ji zdijo fascinantne.

"Zelo razburljivo je, če sem iskren, igrati Boga in kodirati svoje podatke v DNK, " pravi Milenkovićeva. "Človeku daje občutek navdušenja, ko ve, da se igrate z izbrano molekulo narave in s tem počne, kar želite shraniti, kodirati in prenašati informacije v prihodnost."

Vplačilo - vsak dan zdaj

Niso vse suho prašne akademske raziskave s shranjevanjem DNK. Helixworks, podjetje s sedežem na Irskem, že poskuša zaslužiti denar. Na Amazonu ima izdelek - nekako.

"Začeli smo na Amazonu, da bi lahko dobili 512 KB digitalnih podatkov, kodiranih v DNK, " pojasnjuje Nimesh Pinnamaneni, soustanovitelj podjetja. "To je nekaj zelo majhnega. Mogoče slika ali morda pesem, kaj takega."

To je nenavaden nakup, vendar bi lahko bil popoln ljubezenski žeton za osebo, ki ima vse, še posebej, če je ta znanstvenik:

"Spominjam se, da nas je ena stranka poklicala. Želel je obdariti svojo ženo - obe sta biotehnologi - želel je svoji ženi obdariti njuno obletnico poroke. Želel je dati sporočilo v DNK in ji podariti DNK, " se spominja Pinnamaneni. "Morala bi zaporediti DNK, da bi prebrala sporočilo. To je dokaj zapleten način pošiljanja ljubezenskega sporočila, toda morda je biotehnologom luštno, veste?"

Toda Helixworks je nekoliko pred seboj objavil svoj izdelek na Amazonu avgusta 2016, še preden je bil pripravljen izpolniti naročila. Dve osebi sta kupili podjetje 199AD DNADrive - 14-karatno zlato kapsulo z grozdom DNK v notranjosti -, preden je bil Helixworks prisiljen, da izstopi iz svojega izdelka. DNADrive je še vedno na Amazonu, vendar ga ni mogoče kupiti.

To ne pomeni, da je Helixworks konec, samo nestrpen. Zdaj je že predaleč, da bi se ustavili. Podjetje se je začelo na univerzi v Boråsu na Švedskem, kjer sta Pinnamaneni (na sliki zgoraj, levo) in Sachin Chalapati (desno), drugi soustanovitelj podjetja, magistrirala iz biotehnologije. Zbrali so sredstva za raziskave o skladiščenju DNK, svoje delo nadaljevali po vrnitvi v Bangalore v Indiji in razvili dokaz koncepta.

Z dodatnimi sredstvi so jih pripeljali do pospeševalnega programa IndieBio, ki ga je vodilo zagonsko podjetje za tvegani kapital SOSV v San Franciscu v Kaliforniji. Program Helixworks je bil izbran s programom in je dobil 50.000 dolarjev v gotovini in možnost dela iz laboratorija v okrožju Cork, kjer je bil zadnjih šest mesecev. Program vključuje mentorstvo pri igranju izdelka, ki ga bo Helixworks uporabil na letošnjem festivalu South by Southwest, kjer bo tekmoval v disciplini pitch.

Čeprav je odstranjevanje zlatih kapsul DNK morda na koncu donosen stranski tir, Pinnamaneni pravi, da je prihodnost njegovega podjetja v kompaktnih tiskalnikih za dom in pisarno DNK, ki jih razvija. Želi si, da bi bilo shranjevanje DNK enostavno in cenovno dovolj dostopno za vsakogar.

"Ugotovili smo, da morate imeti tiskalnik nekaj, kar deluje kot kartuša, " pojasnjuje Pinnamaneni. "Pravkar imate štiri barve, in te štiri barve se lahko kombinirajo, da tvorijo katero koli barvo, kajne? Tako deluje vaš tiskalnik s črnilom. Ugotovili smo, da moramo imeti nekaj takega v našem sistemu. Zasnovali smo kartušo z 32 reagenti, ki lahko združimo, da tvorimo poljubno zaporedje DNK."

Medtem ko drugi laboratoriji plačujejo približno 30.000 dolarjev vsakič, ko potrebujejo sintezo DNK, operacija, ki traja tedne, pa Pinnamaneni pravi, da lahko njegov izum drastično zniža stroške in čas. Helixworks sodeluje z Opentronsom, podjetjem, ki izdeluje tiskalnik za avtomatizirano laboratorijsko opremo. To bo predstavil SXSW.

"To, kar bomo pokazali na razstavnem podiju, je zapisovanje DNK tik pred vašimi očmi, " pravi Pinnamaneni.

Podjetje še ne sprejema naročil. In to je dobro, saj tisti romantični biotehnolog še čaka na darilo za obletnico.