DNA er fremtidens harddisk

Menneskeheden er fantastisk til at skabe ting, men der er én ting, som vores art skaber mere af end næsten noget andet: information.

Helt tilbage i 2013 konkluderede en undersøgelse, at 90 procent af al verdens data var blevet genereret i de foregående to år, og alligevel virker den mængde stadig lille sammenlignet med de seneste år. I 2017 blev der skabt 26 zettabyte (én zettabyte = en milliard terabyte) data, hvilket er mere end alt, der blev skabt i årene 2010-2013 tilsammen.

Ifølge en rapport offentliggjort i 2019, hver dag deler vi 95 millioner billeder og videoer på Instagram, sender 500 millioner tweets på Twitter og sender 294 milliarder e-mails. Selvom internettet kan virke æterisk, skal alle disse data lagres fysisk på harddiske og servere rundt om i verden. Problemet er, at de traditionelle medier til datalagring sandsynligvis ikke kan følge med den forventede strøm af data i det kommende årti.

Hvad er løsningen? Fremtidens harddisk kunne faktisk være noget meget gammelt, noget der er inde i enhver person, der læser dette: DNA.

Naturens brugsanvisning

Deoxyribonukleinsyre, eller DNA, er det molekyle, der dikterer, hvordan en organisme udvikler sig. Et DNA-molekyle indeholder fire nitrogenbaser - adenin (A), thymin (T), guanin (G) og cytosin (C) - og sekvensen af disse baser danner instruktioner for, hvordan celler skal udvikle sig, hvilket påvirker ting som hår- og øjenfarve, højde osv. på. DNA er i bund og grund instruktionsmanualen til at bygge en krop.

DNA kan også indeholde en svimlende mængde information: 215 petabyte (1 petabyte er omkring 100 millioner gigabyte) data på et enkelt gram. Lige så imponerende er dens levetid. Traditionelle medier som magnetbånd og flashhukommelse har en tendens til at nedbrydes, hvad enten det er ved gentagen brug eller blot tid. DNA nedbrydes også, men med en betydelig langsommere hastighed: Afhængigt af opbevaringsbetingelserne kan det vare tusinder eller endda titusinder af år.

Det er derfor ingen overraskelse, at forskere ser naturens lagringssystem som et fartøj for verdens ubarmhjertige strøm af information.

"Det er næsten ved at være fuld cirkel," siger Hyunjun Park, CEO for Catalog, en virksomhed, der bygger en platform til DNA-baseret opbevaring. "Vi går tilbage til naturen for at få inspiration til at udvikle dette medie."

Catalog er en af ​​virksomhederne på den blødende kant af denne teknologi, der bygger en DNA-baseret lagerplatform, der kan rumme de stadigt større filer fra 5G, high definition æra.

Vidunderligt potentiale til en mareridtsagtig pris

Ideen om at lagre data på DNA blev foreslået tilbage i 60'erne af den sovjetiske videnskabsmand Mikhail Neiman. I årtierne siden har forskere gjort store fremskridt med at gøre det, men der har været betydelige forhindringer.

"Den flaskehals, der har forhindret denne teknologi i at blive mainstream," forklarer Park, "var det faktum, at det er virkelig dyrt og langsomt at gemme en masse information."

Ifølge en undersøgelse offentliggjort i 2018, den mest omkostningseffektive DNA-lagringsteknik på det tidspunkt kostede omkring $3.500 pr. MB for at skrive dataene og $1.000 pr. MB for at læse dem, så lad være med at trække dit solid state-drev tilbage endnu.

Katalog har til formål at nedbringe omkostningerne ved DNA-lagring ved at skabe, hvad de sammenligner med en trykpresse, den revolutionerende enhed, der brugte udskiftelige bogstavblokke, belagt med blæk, til hurtigt at printe sider.

"Måden det blev gjort før," forklarer Park, er, at baserne af DNA -ATCG- kunne bruges til at "repræsentere enhver lang streng af 1'ere og 0'ere, fordi det er de data, du forsøger at skrive. Men problemet med den tilgang er, at hvert basepar, som du tilføjer, har en omkostning og er tidskrævende."

I Catalogs trykpressemetode er træblokkene "blokke af DNA-molekyler, som vi har præsyntetiseret, men i store mængder. I DNA-verdenen," forklarer han, "hvis du forsøger at syntetisere store mængder af nogle få forskellige molekyler - for eksempel i størrelsesordenen 100 - er det virkelig billigt og nemt at gøre.

"Men hvis du forsøger at syntetisere meget små mængder af en million forskellige molekyler," fortsætter han, "det er virkelig dyrt og langsomt. Vi tager disse større blokke, som vi har lavet i store mængder, og vi bruger printeren, som vi udviklede til at arrangere dem i forskellige kombinationer og bind dem sammen, så vi får denne enorme variation af forskellige molekyler, som vi så kan tilskrive forskellige oplysninger til.”

Byg en bedre computer gennem naturen

Selvom DNA's lagringskapacitet er spændende, er Park også begejstret for dets potentiale for computere. I årevis fulgte computere nogenlunde den vej, der blev udstukket af Moores lov, som sagde, at vi hvert andet år eller deromkring kunne fordoble antallet af transistorer, der passer på en computerchip. Computerchips er dog blevet så små i disse dage, at det er mere og mere usandsynligt, at vi kan fortsætte med at presse flere transistorer derind. I det væsentlige, Moores lov er død, eller i det mindste på et hospice.

Menneskehedens behov for stadig større computere er imidlertid livligt, og derfor ræser forskere for at udvikle nye racer af computere (kvantecomputere, for eksempel). En DNA-baseret computer er en mulighed.

"Vi tror, ​​at når først du har data i DNA, kan vi bruge enzymer og andre DNA-molekyler til at beregne disse data," siger Park, "og det er en yderst effektiv, ekstremt parallel måde at beregne disse data på. Det vil ikke være til alle daglige applikationer eller alle beregningsproblemer, men for et sæt problemer, der bliver stadig vigtigere for samfundet, tror vi, at DNA vil være en god måde at gå til det."

Park siger, at DNA-computere ville være velegnede til problemer, hvor du har en enorm mængde data, men de beregninger, du skal udføre, er ikke for komplekse. Som et eksempel forestiller han sig et scenarie, hvor nogen skal finkæmme exabytes af folketællingsdata.

"Man vil hurtigt kunne søge igennem alt det på én gang og finde på navne på folk der opfylder et bestemt sæt kriterier som en bestemt aldersgruppe eller indkomstinterval eller geografisk region," han siger. "For at gøre det på en traditionel computer, for at kunne gennemgå alle de exabytes, du har samlet i årtier, skulle du læse magnetbåndet tilbage der har siddet i kølerum … så regn på det i blokke, der passer ind i hukommelsen, og derefter i blokke, der passer ind i processorenheden, og gør det i en seriel måde. Hvis du har det i DNA, ville volumen være meget lille på grund af informationstætheden af ​​DNA, og så du ville falde i et par prober, der binder til den egenskab, du leder efter til."

En revolution i horisonten

Så hvornår skal du forberede dig på at smide dit nuværende udstyr ud og erstatte det med bio-organiske computerdele? Sandsynligvis ikke lige om lidt.

"Jeg tror, ​​at i en overskuelig fremtid," siger Park, "skriveprocessen, hvor du konverterer digitale data til DNA, sker på specialiserede faciliteter." DNA data faciliteter vil huse de DNA-baserede data, som folk kan få adgang til ligesom en traditionel server, selvom han foreslår, at folk kunne få kopier af deres data i test rør.

For nu vil DNA-baseret lagring og databehandling sandsynligvis ikke være en mærkbar del af hverdagen, men noget, der kan have en enorm indflydelse på det store billede af menneskeheden.