I løpet av de siste årene har forskere dekodet de 700.000 år gamle mammut- og hestegenomene ved hjelp av DNA-fragmenter ekstrahert fra fossiler. DNA varer definitivt mye lenger enn organismer som det bærer genetiske koder for. Dataforskere og ingeniører har lenge drømt om å utnytte diminutiviteten og motstandskraften til DNA for å lagre digitale data. De ønsker å kode alle disse nullene og molekylene i molekylene A, C, G og T, som danner spiraltrappen til DNA-polymer - og dette tiårets fremskritt innen DNA-syntese og sekvensering har ført til et stort gjennombrudd. Nylige eksperimenter har vist at vi en dag vil kunne kode all verdens digitale informasjon i noen få liter DNA - og lese den igjen tusenvis av år senere.
Interessen fra Microsoft og andre teknologiselskaper øker spenningen i dette området. I forrige måned sa Microsoft Research at det vil betale den syntetiske biologi-oppstarten Twist Bioscience å lage 10 millioner DNA-tråder designet av Microsofts informatikere for å lagre data. Den ledende minneprodusenten Micron Technology finansierer også DNA-lagringsforskning for å avgjøre om et nukleinsyresystem kan presse grensene for elektronisk minne. Denne tilstrømningen av penger og renter kan gradvis redusere ublu kostnader og gjøre lagring av data i DNA mulig innen ti år, sier forskerne.
Mennesker vil generere over 16 billioner gigabyte med digitale data innen 2017, og det meste må arkiveres. Juridiske, økonomiske og medisinske data, samt selvfølgelig multimediefiler. I dag lagres data på harddisker, optiske disker i energikrevende datasentre på størrelse med et lager. I beste fall lagres disse dataene i tretti år, i verste fall - flere. I tillegg, ifølge Microsoft Research dataarkitekt Karin Strauss, "Vi produserer mye mer data enn lagringsindustrien kan gjøre, og anslagene viser at gapet vil øke."
La oss nå legge til DNA i alt dette. Den lever i århundrer hvis den oppbevares på et kjølig, tørt sted. I teorien kan den pakke milliarder gigabyte data i en sukkerbit. Tape, det tetteste lagringsmediet som er tilgjengelig i dag, har plass til 10 gigabyte i samme mengde plass. "DNA er et utrolig tett, holdbart og ikke-flyktig lagringsmedium," sier Olgica Milenkovic, professor i elektro- og datateknikk ved University of Illinois i Urbana-Champaign.
Dette er fordi hver av de fire bygningsmolekylene - adenin (A), cytosin ©, guanin (G) og tymin (T) - opptar et kubisk nanometer i volum. Ved å bruke et kodingssystem - for eksempel der A representerer bitene "00", C representerer "01" og så videre - kan forskere ta rader med ener og nuller som utgjør digitale datafiler og lage en DNA-streng som inneholder et øyeblikksbilde eller en video. Selvfølgelig er den virkelige kodingsteknikken mye mer komplisert enn vi skrev for deg her. Syntesen av en designer DNA-streng er prosessen med å skrive data. Forskere kan deretter lese dem ved å sekvensere kjedene.
Harvard-genetikeren George Church grunnla dette forskningsområdet i 2012 ved å kode 70 milliarder eksemplarer av boken - en million gigabit - i en kubikk millimeter DNA. Et år senere viste forskere fra European Bioinformatics Institute at de uten en eneste feil kunne lese 739 kilobyte data innkapslet i DNA.
I fjor demonstrerte flere team av forskere fullt fungerende systemer. I august innkapslet forskere ved ETH Zürich syntetisk DNA i glass, utsatt for forhold som simulerte utløpet av 2000 år, og gjenopprettet de kodede dataene fullstendig. Parallelt rapporterte Milenkovic og hennes kollegaer at seks amerikanske universiteter hadde lagret Wikipedia-sider i DNA og - ved å gi sekvensene spesielle "adresser" - selektivt lest og redigert deler av den skrevne teksten. Tilfeldig tilgang til data er viktig for å unngå å måtte "sekvensere en hel bok for å lese bare ett avsnitt," sier Milenkovich.
I april rapporterte Strauss og forskerne Jord Seelig og Luis Tsese fra University of Washington at de var i stand til å skrive tre bildefiler, hver på flere titalls kilobyte, i 40 000 DNA-tråder ved hjelp av sitt eget kodeskjema, og deretter lese dem hver for seg, ikke gjør feil. De presenterte sitt arbeid i april på en konferanse i Association for Electronic Computing. Med de 10 millioner strengene som Microsoft kjøper fra Twist Bioscience, planlegger forskerne å bevise at DNA-data kan lagres i mye større skala. "Målet vårt er å demonstrere et endelig system der vi koder DNA-filer, syntetiserer molekyler, lagrer dem i lang tid, og deretter gjenoppretter dem ved å sekvensere DNA," sier Strauss. "Vi begynner med beats og går tilbake til beats."
Kampanjevideo:
Minneprodusent Micron studerer DNA som en post-silisium-teknologi. Selskapet finansierer arbeidet til forskere fra Church og University of Idaho for å lage et feilfritt lagringssystem i DNA. "De økende lagringskostnadene vil føre til alternative løsninger, og DNA-lagring er en av de mest lovende løsningene," sa Gurtei Sandu, direktør for avansert teknologiutvikling i Micron.
Forskere leter fremdeles etter måter å redusere antall feil i datakoding og dekoding. Men det meste av teknologien er allerede på plass. Så hva hindrer oss i å flytte fra datalager i skokassestørrelse til glaskapsler med DNA? Koste. "Opptaksprosessen er en million ganger dyrere," sier Seelig.
Her er hvorfor: Å lage DNA innebærer å strenge molekyler i nanostørrelse en etter en med høy presisjon - ikke en enkel oppgave. Og selv om kostnadene ved sekvensering falt på grunn av den raskt voksende etterspørselen etter denne tjenesten, hadde ikke DNA-syntese en lignende driver på markedet. Milenkovic betalte rundt $ 150 for å lage en streng på 1000 syntetiserte nukleotider. Sekvensering av en million nukleotider koster omtrent en cent.
Interessen for datalagring fra Microsoft og Micron kan være akkurat det momentet som trengs for å begynne å kutte kostnader, sier Seelig. Smart teknikk og ny teknologi som mikrofluidikk og nanopore DNA-sekvensering som hjelper til med å redusere og øke hastigheten på prosessen, vil også bidra til fremskritt. Det tar nå timer å sekvensere flere hundre basepar - og dager å syntetisere dem - ved hjelp av en haug med utstyr. Jeg skulle ønske jeg kunne gjøre alt i en liten eske, ellers ville fordelen med lagringstetthet være tapt.
Hvis alt går bra, ser Strauss for seg selskaper som tilbyr arkiv-DNA-konserveringstjenester for det neste tiåret. "Du kan åpne en nettleser og laste opp filer til nettstedet deres eller ta byte tilbake som på skyen," sier hun. Eller du kan kjøpe en DNA-plate i stedet for en harddisk.
ILYA KHEL
