Behöver du lite extra förvaring? försök dna

Ingenjörer har framgångsrikt drivit mer lagring i mindre utrymmen i decennier, men det kan inte fortsätta för evigt. Nästa stora hopp i datalagring kan ta formen av DNA i allt organiskt material: Forskare i laboratorier över hela landet experimenterar med syntetiskt DNA som lagringsmedium.

"Om du tittar på vart elektronik går, kiselteknologi, en hel del basteknik som vi använder för att bygga datorer idag, närmar vi oss gränsen i nästan alla av dem, " säger Luis Henrique Ceze, docent i datavetenskap och teknik vid University of Washington. "DNA är väldigt tätt, det är väldigt hållbart och det kräver väldigt lite kraft att underhålla, så det finns en stor fördel med att använda DNA för datalagring."

Ceze har samarbetat med Karin Strauss, en datorarkitektforskare med Microsoft Research, om ett samarbete mellan de två institutionerna - ett projekt som överbryggar datavetenskap och biologi. För ett team på ungefär 20 personer tillhandahåller universitetet molekylärbiologer, och Microsoft tillhandahåller datavetare.

För att förstå hur DNA kan användas för lagring, tänk på att all datordata är binär eller bas-2. DNA är bas-4, sammansatt av adenin, cytosin, guanin och tymin (förkortat A, C, G och T). Det första steget är att konvertera bas-2-information till bas-4, så A motsvarar 00, C till 01, G till 10 och T till 11 (som förenklar den lite men får över tanken).

Sedan använder forskare en maskin som kallas en DNA-synthesizer för att kombinera de fyra kemikalierna i rätt ordning. Resultatet lagrar informationen många gånger över som ett saltliknande kluster som är mindre än spetsen av en penna. För att läsa den informationen krävs en DNA-sequenser.

Även om detta kan låta ömtåligt - som något som kan blåsa bort när en dörr plötsligt öppnas - är DNA det starkaste datalagringsmediet vi har sett. Forskare har framgångsrikt läst DNA som är hundratusentals år gammalt.

Sekvensering av DNA innebär att en liten bit av det lagrade materialet tas bort och processen tappar provet. Följaktligen kan en DNA-inspelning läsas ett begränsat antal gånger. Det är dock inget problem eftersom det lagrade materialet har så mycket redundanta data; det kan samplas om och om igen. Dagens lagringsmedier har också ett begränsat antal skriv- och läscykler innan de misslyckas, så detta är inget nytt.

Som Ceze påpekar kommer DNA aldrig att bli föråldrat. Medan många av oss har disketter på baksidan av en låda som vi inte längre kan läsa, kommer det inte att bli ödet för DNA. "Vi kommer alltid att bry oss om DNA av livsvetenskaper och hälsoskäl, så du kommer alltid att ha ett sätt att läsa information lagrad i DNA, " säger Ceze.

I juli 2016 kodade Microsoft och University of Washington framgångsrikt 200 MB data i DNA-form, vilket bäst den tidigare posten på 22MB. Genom att använda DNA, säger Strauss, kommer det att vara möjligt att lagra 1 exabyte data - det är 1 miljard GB - i en 1-tums kub.

"Vi gjorde en uppskattning av hur mycket data du kan lägga i en viss volym, " säger Strauss. "Vi försökte uppskatta vad som skulle vara volymen om vi idag beslutade att arkivera hela tillgängliga internet, vilket betyder allt som inte ligger bakom ett lösenord eller någon form av elektronisk vägg, och vi kom på storleken på en stor skokassa."

Det låter som ett långtgående förslag, men Ceze tror att vi kommer att se kommersiella DNA-lagringssystem på marknaden om ett decennium. De kommer inte att fungera exakt som mikroprocessorlagring, eftersom DNA kräver en våt kemisk miljö för skapande, men de kommer att ge massiv kapacitet och slumpmässig åtkomst i samma hastigheter som företagstejpssystem ger nu.

Ett snabbt avancerat fält

DNA har funnits i miljarder år, men demonstrationer av DNA som användbar lagringsteknologi började 1986 när MIT-forskaren Joe Davis kodade en enkel binär bild till 28 baspar DNA.

En annan pionjär inom detta område är George Church, en genetikprofessor som har arbetat vid Harvard Medical School sedan 1977 och drivit sitt eget labb sedan 1986. Kyrkan har varit intresserad av att sänka kostnaderna för DNA-läsning och skrivning sedan 1970-talet och tror att en dag de skulle samlas för att skapa praktisk datalagring. Han blev intresserad av att arbeta med DNA-forskning omkring 2000 och utförde kritiska sekvenserings- och syntestester 2003 och 2004. År 2012 kunde han sätta ihop båda områdena och skapa ett system för kodning av data. Han skrev upp det arbetet i en inflytelserik artikel i 2012 i Science .

"Före 2003 och '04 gjordes sekvensering och syntes väsentligen i kapillärer - eller små rör - där du skulle ha ett rör per sekvens, " förklarar Church. "Det var ganska manuellt och inte skalbart. Lektionen som vi hade lärt oss från halvfabrikationsindustrin för halvfabrikation var att du behövde hitta ett sätt att sätta dem väsentligen i ett tvådimensionellt plan och sedan skala ner funktionstorleken. Ingen av dessa kolumnbaserade metoder var kompatibla med det, och så 2003 visade vi hur du kunde distribuera sekvenser på ett tvådimensionellt plan och sedan avbilda dem med lysrörsbild som nu är det dominerande sättet att sekvensera. Sedan 2004 visade vi att du kan tillverka DNA på ett plan och sedan glida av det, och sedan kan det vara ännu mer kompakt, så planet var bara en tillfällig plats att syntetisera dem. Sedan kunde du kompaktera dem till ett tredimensionellt objekt som var miljoner gånger mer kompakt än normalt datalagring.

"Det var ett bevis på begreppsövningar 2003 och 2004. 2012 hade vi och andra förfinat både läs- och skrivmetoder för DNA, och jag sammansatte dem till ett experiment där jag kodade en bok som jag just hade skrivit till DNA, inklusive bilder som visar att i princip allt som är digitalt kan kodas med DNA."

Även om kostnaden är ett betydande hinder för DNA-lagring, noterar Church att priset har sjunkit brant under den korta tid som forskning har gjorts. Kostnaden för att läsa DNA har förbättrats ungefär 3 miljoner gånger, medan kostnaden för att skriva har förbättrats med en miljard gånger. Han kan se båda förbättra sig med ytterligare en miljon gånger på ännu mindre tid. Han påpekar också att kostnaden för att kopiera DNA-material är nästan gratis, liksom kostnaden för långvarig lagring. För arkivlagring är inte kostnaden för att läsa data ett stort hinder, eftersom mycket arkiverat material aldrig läses och vissa artiklar läses selektivt. Titta på kostnaderna för hela systemet, råder han. Traditionella lagringsmetoder rör sig med Moore's Law hastighet och kommer att platå snart. Men DNA-lagringsteknologi rör sig snabbare än Moores lag och visar inga tecken på platåbildning.

Arkivering och molnlagring är där kyrkan ser DNA-datalagring först antas. Företag inklusive IBM, Microsoft och Technicolor har sina egna forsknings- och utvecklingsgrupper som studerar området, konstaterar han. Han samarbetade med Technicolor 2015 för att lagra A Trip to the Moon , en klassisk film från 1902 som en gång troddes förlorad, till DNA. Nu har Technicolor många DNA-kopior som i kombination inte är större än en dammfläck.

Kyrkan har ett laboratorium med 93 personer som arbetar med DNA-lagring och fokuserar för närvarande på två mål. Den första är att radikalt förbättra hastigheten per cykel. Information lagras i hundratals lager, var och en så tjock som en molekyl. Varje tillägg tar för närvarande tre minuter, men kyrkan tror att det kan föras ner till mindre än ett millisekund. Det är 200 000 gånger snabbare, konstaterar han, och betyder en övergång från organisk kemi till biokemi. Han vill också ändra hur instrumenten som används för att läsa och skriva tillverkas för att göra dem mycket mindre. För närvarande är de storleken på stora kylskåp. Han vill ha det nedskalat.

Inbyggd redundans och behovet av felkorrigering

En forskare som påverkades av kyrkans artikel om vetenskap 2012 är professor Olgica Milenkovic vid University of Illinois, Urbana-Champaign. Artikeln nämnde behovet av kodning, vilket omedelbart utlöste hennes intresse. Kodning i lagringsforskning är en teknik för att lägga till redundans till data, redundans som senare kan användas för att korrigera för fel som uppstår under läs- och skrivprocessen. För ett exempel på varför detta är viktigt, se de två Citizen Kane-bilderna här. Båda kodades i DNA av Milenkovic team och lästes sedan. Gissa vilken som använde redundans.

Du har rätt: Bilden till vänster kodades med redundans, och den högra bilden var inte.

Ett enkelt sätt att lägga till redundans är att upprepa varje tecken ett visst antal gånger. I stället för att skriva en 0, skriv den fyra gånger. Det är brute-force-strategin - enkel men fruktansvärt ineffektiv. Milenkovics arbete handlar om att uppnå samma felkorrigering på ett mer sofistikerat sätt. Det involverar tekniker som kallas paritetskontroller eller linjära kongruenskontroller för att tillhandahålla sätt att verifiera data.

"Hela fältet handlar i princip om att hjälpa dig korrigera fel om de visas eller, ännu bättre, undvika fel som du vet är mycket troligt att dyka upp, " säger Milenkovic. "Vi inför kontrollerad redundans för att bli av med fel och att kontrollerad redundans inte är i form av enkel upprepning, eftersom det är väldigt ineffektivt."

Det var vad som tog Milenkovic in i fältet, men hennes forskning nu handlar om att minska de enorma kostnaderna för DNA-syntes.

"Min student, H. Tabatabae Yazdi, som var väldigt aktiv i detta ämne, och jag har försökt verkligen hårt att komma fram till ett smart sätt att undvika att syntetisera DNA. Syntese av DNA är absolut en flaskhals för denna teknik på grund av de höga kostnaderna, Säger Milenkovic.

Även om Milenkovic ler för att avslöja för mycket om opublicerad forskning, innebär hennes lösning "listiga matematiska tillvägagångssätt" och handlar om timing, där storleken på intervallet mellan informationsbitar är meningsfullt.

"Om du undviker formaliteten som du vill använda ATGC för att verkligen koda binära symboler på en viss plats, kan du komma med mycket smartare och effektivare sätt att lagra information, eftersom du inte behöver syntetisera strängar om och om igen igen, förklarar Milenkovic. "Du kan syntetisera dem en gång på ett visst sätt och sedan återanvända det syntetiserade DNA på ett smart kombinatoriskt sätt."

Genom sitt arbete hoppas Milenkovic att få kostnaden för att syntetisera DNA ner minst tre storleksordningar. Det räcker fortfarande inte, konstaterar hon, men det är framsteg. Det bidrar också till en rad forskning som hon tycker är fascinerande.

"Det är väldigt spännande, att vara ärlig, att spela Gud och koda din egen information i DNA, " säger Milenkovic. "Det ger en person en känsla av spänning att veta att du spelar med en utvald molekyl i naturen och får den att göra vad du vill lagra och koda och förmedla information till framtiden."

Insamling - valfri dag nu

Det är inte allt torrdammad akademisk forskning med DNA-lagring. Helixworks, ett företag baserat i Irland, försöker redan tjäna pengar på det. Den har en produkt på Amazon - typ av.

"Vi lanserade på Amazon så att du kan få 512 kB digital data kodad i DNA", förklarar Nimesh Pinnamaneni, företagets medstifter. "Det är något mycket litet. Kanske en bild eller kanske en dikt, något liknande."

Det är ett ovanligt köp, men det kan vara den perfekta kärleken för den som har allt, särskilt om den personen är en vetenskapsman:

"Jag minns en kund som ringde oss. Han ville gåva sin fru - de båda är bioteknologer - han ville gåva sin fru vid deras bröllopsdag. Han ville lägga ett meddelande i DNA och ge henne ett DNA, " minns Pinnamaneni. "Hon skulle behöva sekvensera DNA för att läsa meddelandet. Det är ett ganska komplicerat sätt att skicka ett kärleksmeddelande, men kanske är det söt för bioteknologer, vet du?"

Men Helixworks kom lite framför sig som publicerade sin produkt på Amazon i augusti 2016, innan den var redo att fullfölja order. Två personer köpte företagets 199 $ DNADrive - en 14-karat guldkapsel med ett kluster av DNA inne - innan Helixworks tvingades avnotera sin produkt. DNADrive finns fortfarande på Amazon, men det kan inte köpas.

Det betyder inte att Helixworks är över, bara för ivrig. Det har kommit för långt för att sluta nu. Företaget startade vid universitetet i Borås i Sverige, där Pinnamaneni (bilden ovan, till vänster) och Sachin Chalapati (höger), företagets andra grundare, fick magisterexamen i bioteknik. De samlade in pengar för DNA-lagringsforskning, fortsatte sitt arbete en gång hemma i Bangalore, Indien, och utvecklade ett bevis på koncept.

Casting för ytterligare medel förde dem till IndieBio-acceleratorprogrammet som drivs av SOSV, ett startup-riskkapitalföretag i San Francisco, Kalifornien. Helixworks valdes ut av programmet och vann 50 000 dollar i kontanter och förmågan att arbeta från ett labb i County Cork, där det har varit under de senaste sex månaderna. I programmet ingår mentorskap för pitching av en produkt, som Helixworks kommer att använda på årets South by Southwest-festival, där den kommer att tävla i en tonhändelsevent.

Även om att kasta ut gyllene DNA-kapslar så småningom kan vara en lukrativ sidelinje, säger Pinnamaneni att hans företags framtid är i de kompakta DNA-skrivare för hem och kontor som det utvecklas nu. Han vill göra DNA-lagring enkel och prisvärd nog för alla att använda.

"Vi tänkte att du måste ha något som fungerar som en patron i en skrivare, " förklarar Pinnamaneni. "Du har bara fyra färger, och dessa fyra färger kan kombineras för att bilda vilken färg som helst, eller hur? Det är så att din bläckskrivare fungerar. Vi tänkte ut att vi måste ha något liknande i vårt system. Vi designade en patron med 32 reagens som kan kombineras för att bilda vilken DNA-sekvens som helst."

Medan andra laboratorier betalar cirka 30 000 dollar varje gång de behöver syntetiseras DNA, en operation som tar veckor att genomföra, säger Pinnamaneni att hans uppfinning kan minska kostnaden och tiden dramatiskt. Helixworks samarbetar med Opentrons, ett företag som tillverkar automatiserad lab-utrustning, för att skapa skrivaren. Det är vad det kommer att slå på SXSW.

"Det vi kommer att demonstrera på expogolvet är DNA-skrivning precis framför dina ögon, " säger Pinnamaneni.

Företaget kommer inte att ta några beställningar ännu. Och det är bra, för den romantiska bioteknologen väntar fortfarande på sin jubileumsgåva.