Reikia papildomos saugyklos? pabandykite dna

Inžinieriai dešimtmečius sėkmingai perkelia daugiau saugyklų į mažesnes erdves, tačiau tai negali tęstis amžinai. Kitas didelis saugojimo šuolis galėtų būti DNR, esančio visose organinėse medžiagose, pavidalas: Šalies laboratorijose dirbantys mokslininkai eksperimentuoja su sintetinėmis DNR kaip laikmena.

„Jei pažiūrėsite, kur eina elektronika, silicio technologija, daugybė pagrindinių technologijų, kurias šiandien naudojame kompiuteriams kurti, beveik visuose artėjame prie ribos“, - sako Luis Henrique Ceze, informatikos docentas. ir inžinerija Vašingtono universitete. "DNR yra labai tanki, labai patvari, o palaikyti reikia labai mažai jėgų, todėl naudojant DNR duomenų saugojimui yra daug pranašumų."

Ceze bendradarbiauja su Karin Strauss, kompiuterinės architektūros tyrinėtoja su „Microsoft Research“, bendradarbiaudamas tarp dviejų institucijų - projekto, jungiančio kompiuterių mokslą ir biologiją. Maždaug 20 žmonių komandai universitetas teikia molekulinius biologus, o „Microsoft“ - kompiuterių mokslininkams.

Norėdami suprasti, kaip DNR galėtų būti naudojama saugojimui, atsižvelkite į tai, kad visi kompiuterio duomenys yra dvejetainiai arba baziniai-2. DNR yra bazė-4, sudaryta iš adenino, citozino, guanino ir timino (sutrumpintai kaip A, C, G ir T). Pirmasis žingsnis yra 2-bazės informacijos konvertavimas į bazę-4, taigi A atitinka 00, C - 01, G - 10 ir T - 11 (tai šiek tiek supaprastina, bet pereina prie idėjos).

Tuomet mokslininkai naudoja mašiną, vadinamą DNR sintezatoriumi, kad keturias chemines medžiagas sujungtų teisinga tvarka. Rezultatas daug kartų kaupia informaciją kaip druskos pavidalo sankaupą, mažesnę už pieštuko galiuką. Norint perskaityti šią informaciją, reikia DNR sekos.

Nors tai gali pasirodyti trapi - kaip kažkas, kas gali susprogdinti staiga atsidarius durelėms -, DNR yra pati stipriausia duomenų laikmena, kokią mes matėme. Mokslininkai sėkmingai skaitė šimtų tūkstančių metų senumo DNR.

DNR sekos nustatymas apima tai, kad pašalinama maža dalis kaupiamos medžiagos, o procesas imasi šio mėginio. Taigi DNR įrašą galima perskaityti baigtinį skaičių kartų. Tačiau tai nėra problema, nes saugomoje medžiagoje yra tiek daug nereikalingų duomenų; iš jo galima imti mėginius daugiau ir daugiau. Šiandienos laikmenose taip pat yra nedaug rašymo ir skaitymo ciklų, kol jos nepavyksta, taigi tai nėra nieko naujo.

Kaip pažymi Ceze, DNR niekada nebus pasenusi. Nors daugelio iš mūsų stalčių gale yra diskelių, kurių nebegalime skaityti, tai nebus DNR likimas. „Mes visada rūpinamės DNR dėl gamtos mokslų ir sveikatos priežasčių, todėl visada turėsite būdą nuskaityti DNR saugomą informaciją“, - sako Ceze.

2016 m. Liepos mėn. „Microsoft“ ir Vašingtono universitetas sėkmingai kodavo 200 MB duomenų į DNR formą, naudodamiesi ankstesniu 22 MB įrašu. Strausso teigimu, naudojant DNR, 1 colio kube bus galima laikyti 1 egzempliorių duomenų - tai yra 1 milijardas GB.

„Mes įvertinome, kiek duomenų galėtumėte sudėti į tam tikrą tūrį“, - sako Straussas. "Mes bandėme įvertinti, koks bus apimtis, jei šiandien nuspręstume archyvuoti visą prieinamą internetą, turėdami omenyje viską, kas nėra už slaptažodžio ar kokios nors elektroninės sienos, ir sugalvojome didelės batų dėžės dydį."

Tai skamba kaip tolimas pasiūlymas, tačiau „Ceze“ tiki, kad praėjus dešimtmečiui rinkoje pamatysime komercines DNR saugojimo sistemas. Jie neveiks lygiai taip pat, kaip ir mikroprocesorių saugojimas, nes norint sukurti DNR reikia drėgnos cheminės aplinkos, tačiau jie suteiks didžiulę talpą ir atsitiktinę prieigą tokiu pat greičiu, kokį teikia įmonės juostos sistemos.

Greitai tobulėjantis laukas

DNR egzistuoja jau milijardus metų, tačiau DNR, kaip tinkamos saugojimo technologijos, demonstracija prasidėjo 1986 m., Kai MIT tyrėjas Joe Davis užkodavo paprastą dvejetainį vaizdą į 28 bazines DNR poras.

Kitas šios srities pradininkas yra George'as Church'as, genetikos profesorius, dirbantis Harvardo medicinos mokykloje nuo 1977 m. Ir vadovaujantis savo laboratorijai nuo 1986 m. Bažnyčia nuo 1970 m. Buvo suinteresuota sumažinti DNR skaitymo ir rašymo išlaidas, manydama, kad kada nors jie susiburtų kurdami praktinį duomenų saugojimą. Jis susidomėjo DNR tyrimais maždaug 2000 m., O 2003 ir 2004 m. Atliko kritinius sekos ir sintezės testus. Iki 2012 m. Jis sugebėjo sudėti abi sritis ir sukurti duomenų kodavimo sistemą. Šį darbą jis parašė įtakingame „ Science“ 2012 m.

"Iki 2003 m. Ir '04 sekos buvo sintezuojamos ir sintetinamos iš esmės kapiliaruose arba mažuose mėgintuvėliuose, kur kiekvienoje sekoje turėtumėte po vieną mėgintuvėlį", - aiškina bažnyčia. "Tai buvo gana neautomatiška ir nekeičiama. Pamoka, kurią mes išmokome iš mikrofabrikavimo puslaidininkių pramonės, buvo ta, kad jums reikėjo sugalvoti būdą, kaip juos iš esmės išdėstyti dvimatėje plokštumoje ir tada sumažinti objekto dydį. Nei vienas iš jų kolonų metodai buvo suderinami su tuo, todėl 2003 m. mes parodėme, kaip jūs galite paskirstyti sekas dvimatėje plokštumoje ir tada jas pavaizduoti fluorescenciniu vaizdavimu, kuris dabar yra dominuojantis sekų sudarymo būdas. Tada 2004 m. mes parodėme, kad jūs galėtumėte pagaminti DNR plokštumoje, tada nuslysti, o tada ji galėtų būti dar kompaktiškesnė, taigi plokštuma buvo tik laikina vieta, kur jas sintetinti, tada galėtumėte sutankinti jas į trimatį objektą, kuris buvo milijonus kartų kompaktiškesnė nei įprasta duomenų saugykla.

„Tai buvo 2003 ir 2004 m. Koncepcijos pratimų įrodymas. 2012 m. Mes ir kiti patobulinome DNR skaitymo ir rašymo metodus, ir aš sudėjau juos į vieną eksperimentą, kuriame užkodavau knygą, kurią ką tik buvau įrašiusi į DNR, įskaitant vaizdus, ​​rodančius, kad iš esmės visa, kas yra skaitmeninė, gali būti užkoduota DNR “.

Nors išlaidos yra reikšminga kliūtis DNR saugojimui, Bažnyčia pažymi, kad kaina labai sumažėjo per trumpą laiką, kai buvo atlikti tyrimai. DNR skaitymo išlaidos pagerėjo maždaug 3 mln. Kartų, o rašymo išlaidos - milijardą kartų. Jis gali pastebėti, kad dar mažiau laiko pagerėja dar milijoną kartų. Jis taip pat pabrėžia, kad DNR medžiagos kopijavimo išlaidos yra beveik nemokamos, kaip ir ilgalaikio saugojimo išlaidos. Duomenų skaitymo išlaidos, saugomos archyve, nėra didelė kliūtis, nes daug archyvuotos medžiagos niekada neskaito, o kai kurie elementai yra skaitomi pasirinktinai. Pažvelkite į visos sistemos sąnaudas, pataria jis. Tradiciniai saugojimo būdai juda Mūro įstatymu ir greitai išplatės. Tačiau DNR saugojimo technologija juda greičiau nei Moore'o įstatymai ir nerodo jokių plokščiapėdystės ženklų.

Archyvas ir saugojimas debesyse yra tas atvejis, kai Bažnyčia pirmiausia mato, kaip saugomi DNR duomenys. Jis pažymi, kad bendrovės, įskaitant IBM, „Microsoft“ ir „Technicolor“, turi savo tyrimų ir plėtros komandas, tiriančias šią sritį. 2015 m. Jis bendradarbiavo su „Technicolor“, kad išsaugotų DNR kelionę „Kelionė į Mėnulį“ , klasikinį 1902 m. Filmą, kuris, kaip manoma, prarastas. Dabar „Technicolor“ turi daugybę DNR kopijų, kurios kartu nėra didesnės nei dulkių rinkinys.

Bažnyčioje yra 93 žmonių laboratorija, dirbanti DNR saugojimo srityje ir šiuo metu sutelkianti dėmesį į du tikslus. Pirmasis yra radikaliai pagerinti greitį per ciklą. Informacija saugoma šimtais sluoksnių, kurių kiekvienas yra tokio paties storio kaip molekulė. Šiuo metu kiekvienas papildymas trunka tris minutes, tačiau Bažnyčia mano, kad tai gali būti sumažinta mažiau nei per milisekundę. Tai pažymi 200 000 kartų greičiau, o tai reiškia, kad organinę chemiją reikia pakeisti biochemija. Jis taip pat nori pakeisti, kaip gaminami skaitymui ir rašymui skirti instrumentai, kad jie būtų daug mažesni. Šiuo metu jie yra didelių šaldytuvų dydžio. Jis nori, kad tai būtų sumažinta.

Integruotas atleidimas ir klaidų taisymo poreikis

Vienas tyrinėtojas, kuriam įtakos turėjo 2012 m. Bažnyčios straipsnis, yra profesorė Olgica Milenkovic iš Ilinojaus universiteto Urbana-Champaign. Straipsnyje buvo paminėtas kodavimo poreikis, kuris iškart sukėlė jos susidomėjimą. Kodavimas saugyklų tyrimuose yra atleidimo nuo duomenų papildymo, atleidimo iš darbo būdas, kurį vėliau galima panaudoti taisant klaidas, atsirandančias skaitymo ir rašymo proceso metu. Pavyzdį, kodėl tai svarbu, skaitykite dviejose „Citizen Kane“ nuotraukose čia. Abu juos Milenkovičiaus komanda užkodavo DNR ir tada skaitė. Atspėkite, kuris iš jų atleido.

Jūs teisus: kairiosios pusės vaizdas buvo užkoduotas pertekliniu, o dešinės pusės vaizdas nebuvo.

Paprastas atleidimo papildymo būdas yra kiekvieno simbolio pakartojimas nustatytą skaičių kartų. Užuot rašę 0, parašykite jį keturis kartus. Tai brutalios jėgos metodas - paprastas, bet siaubingai neveiksmingas. Milenkovičiaus darbas yra tas pats klaidų taisymas, kurį reikia atlikti sudėtingesniu būdu. Duomenų tikrinimo būdai yra metodai, vadinami pariteto patikrinimais arba linijiniais kongruencijos tikrinimais.

„Visas laukas iš esmės skirtas padėti jums ištaisyti klaidas, jei jos atsiranda, arba, dar geriau, išvengti klaidų, kurios, jūsų žiniomis, labai tikėtinos“, - sako Milenkovičius. "Mes įvedame kontroliuojamą atleidimą iš darbo, kad atsikratytume klaidų, o kontroliuojamas atleidimas nėra paprasto kartojimo forma, nes tai labai neveiksminga."

Būtent tai atvedė Milenkovic į lauką, tačiau jos tyrimai dabar susiję su didžiulių DNR sintezės išlaidų sumažinimu.

"Mano studentas H. Tabatabae Yazdi, kuris buvo labai aktyvus šia tema, ir aš labai stengiausi sugalvoti intelektualų būdą, kaip išvengti sintezės DNR. DNR sintezė yra šios technologijos kliūtis dėl didelių išlaidų. “, - sako Milenkovičius.

Nors Milenkovic labai bijo per daug atskleisti apie neskelbtus tyrimus, jos sprendimas susijęs su „gudriais matematiniais požiūriais“ ir yra susijęs su laiku, kuriame prasmingas yra intervalo tarp informacijos bitų dydis.

„Jei nesutiksite su formalumu, kurį norite naudoti ATGC tam, kad iš tikrųjų užkoduotumėte dvejetainius simbolius tam tikroje vietoje, galite sugalvoti daug protingesnių ir efektyvesnių informacijos saugojimo būdų, nes jums nereikia sintetinti sruogų per ir per daug. vėl “, - aiškina Milenkovičius. "Galite jas susintetinti vieną kartą tam tikru būdu ir paskui pakartotinai panaudoti tą sintezuotą DNR sumaniai derinant."

Savo darbais Milenkovičius tikisi sumažinti DNR sintezės išlaidas mažiausiai trimis dydžiais. To vis tiek nepakanka, pažymi ji, tačiau tai progresas. Tai taip pat prisideda prie tyrimų, kurie jai atrodo patrauklūs.

„Labai įdomu, nuoširdžiai, žaisti Dievą ir užkoduoti savo informaciją DNR“, - sako Milenkovičius. "Žmogui tai sukelia jaudulį, kai jūs žinote, kad jūs žaidžiate su pasirinkta gamtos molekule ir verčiate tai daryti tai, ką norite išsaugoti, užkoduoti ir perduoti informaciją ateičiai."

Išgryninimas - bet kurią dieną dabar

Tai ne visi sausų dulkių akademiniai tyrimai, turintys DNR. Airijoje įsikūrusi įmonė „Helixworks“ jau bando užsidirbti pinigų. Ji turi produktą „Amazon“ - tarsi.

„Mes paleidome„ Amazon “, kad galėtumėte gauti 512KB skaitmeninių duomenų, užkoduotų DNR“, - aiškina Nimeshas Pinnamaneni, bendrovės įkūrėjas. "Tai kažkas labai mažo. Galbūt paveikslėlis, galbūt eilėraštis, kažkas panašaus".

Tai neįprastas pirkinys, tačiau tai gali būti tobulas meilės ženklas asmeniui, kuris turi viską, ypač jei tas asmuo yra mokslininkas:

"Pamenu, vienas klientas mums paskambino. Jis norėjo dovanoti savo žmonai - jie abu yra biotechnologai - jis norėjo dovanoti savo žmonai per jų vestuvių metines. Jis norėjo įdėti žinią į DNR ir padovanoti jai DNR", - prisimena Pinnamaneni. "Jai reiktų seka DNR, kad būtų galima perskaityti žinią. Tai gana sudėtingas būdas išsiųsti meilės pranešimą. Bet gal bioteologams tai yra miela, žinote?"

Tačiau „Helixworks“ šiek tiek aplenkė save, kai paskelbė savo produktą „Amazon“ 2016 m. Rugpjūtį, prieš tai pasiruošusi įvykdyti užsakymus. Du žmonės įsigijo bendrovės 199 USD vertės DNADrive - 14 karatų auksinę kapsulę su DNR grupe viduje - prieš tai „Helixworks“ buvo priversta išbraukti iš savo produkto. „DNADrive“ vis dar yra „Amazon“, bet jos negalima įsigyti.

Tai nereiškia, kad „Helixworks“ baigėsi, tiesiog labai noriai. Dabar jau per daug sustoti. Bendrovė pradėjo veiklą Boros universitete Švedijoje, kur Pinnamaneni (nuotrauka viršuje, kairėje) ir Sachin Chalapati (dešinėje), kitas bendrovės įkūrėjas, įgijo biotechnologijų magistro laipsnius. Jie surinko lėšų DNR saugojimo tyrimams, tęsė darbą, grįžę namo Bangalore, Indijoje, ir sukūrė koncepcijos įrodymą.

Pasinaudoję papildomomis lėšomis, jie pateko į „IndieBio“ greitintuvo programą, kurią vykdo „SOSV“, pradedančiojo rizikos kapitalo įmonė San Fransiske, Kalifornijoje. Programa atrinko „Helixworks“ ir laimėjo 50 000 USD grynaisiais bei galimybę dirbti iš laboratorijos Korko grafystėje, kur buvo pastaruosius šešis mėnesius. Programa apima mentorystę dėl produkto iškėlimo, kurį „Helixworks“ panaudos šių metų festivalyje „South by Southwest“, kur jis varžysis pikio varžybose.

Nors auksinių DNR kapsulių sukramtymas gali būti pelninga nuošalė, Pinnamaneni sako, kad jo įmonės ateitis yra kompaktiškuose namų ir biuro DNR spausdintuvuose, kuriuos ji kuria dabar. Jis nori, kad DNR saugojimas būtų lengvas ir prieinamas kiekvienam.

„Mes supratome, kad jūs turite turėti tai, kas veikia kaip kasetė spausdintuve“, - aiškina Pinnamaneni. "Jūs tiesiog turite keturias spalvas, ir šias keturias spalvas galite derinti ir formuoti bet kokias įmanomas spalvas, tiesa? Štai kaip veikia jūsų rašalo spausdintuvas. Mes supratome, kad mūsų sistemoje turi būti kažkas panašaus. Sukūrėme kasetę iš 32 reagentų, gali būti sujungtas, kad susidarytų bet kokia įmanoma DNR seka."

Nors kitos laboratorijos moka maždaug 30 000 USD kiekvieną kartą, kai reikia susintetinti DNR - operacija, kurios atlikimas užtrunka kelias savaites, Pinnamaneni sako, kad jo išradimas gali dramatiškai sumažinti išlaidas ir laiką. Kurdama spausdintuvą, „Helixworks“ bendradarbiauja su įmone „Opentrons“, gaminančia automatizuotą laboratorijos įrangą. Būtent tai ir pasieks SXSW.

„Tai, ką parodysime parodos aukšte, yra DNR rašymas tiesiai prieš jūsų akis“, - sako Pinnamaneni.

Bendrovė dar nepriims užsakymų. Ir tai gerai, nes tas romantiškas biotechnologas vis dar laukia savo jubiliejinės dovanos.