DNA ist die Festplatte der Zukunft

Der Mensch ist großartig darin, Dinge zu erschaffen, aber eines erschafft unsere Spezies mehr als fast alles andere: Informationen.

Bereits 2013 kam eine Studie zu dem Schluss, dass 90 Prozent aller weltweiten Daten in den letzten zwei Jahren generiert wurden, und dennoch scheint diese Menge im Vergleich zu den letzten Jahren immer noch gering zu sein. Im Jahr 2017 wurden 26 Zettabyte (ein Zettabyte = eine Milliarde Terabyte) an Daten erstellt, das ist mehr als alles, was in den Jahren 2010 bis 2013 zusammengenommen wurde.

Laut a Bericht veröffentlicht im Jahr 2019Jeden Tag teilen wir 95 Millionen Fotos und Videos auf Instagram, posten 500 Millionen Tweets auf Twitter und versenden 294 Milliarden E-Mails. Auch wenn das Internet ätherisch erscheint, müssen alle diese Daten physisch auf Festplatten und Servern auf der ganzen Welt gespeichert werden. Das Problem ist, dass diese traditionellen Datenspeichermedien wahrscheinlich nicht mit der erwarteten Datenflut im kommenden Jahrzehnt mithalten können.

Was ist die Lösung? Die Festplatte der Zukunft könnte tatsächlich etwas sehr Altes sein, etwas, das in jedem Menschen steckt, der dies liest: DNA.

Bedienungsanleitung der Natur

Desoxyribonukleinsäure oder DNA ist das Molekül, das bestimmt, wie sich ein Organismus entwickelt. Ein DNA-Molekül enthält vier Stickstoffbasen – Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C) – und die Sequenz Diese Grundlagen bilden Anweisungen dafür, wie sich Zellen entwickeln sollen, und beeinflussen Dinge wie Haar- und Augenfarbe, Körpergröße usw An. DNA ist im Wesentlichen die Anleitung zum Aufbau eines Körpers.

DNA kann auch eine erstaunliche Menge an Informationen enthalten: 215 Petabyte (1 Petabyte entspricht etwa 100 Millionen Gigabyte) an Daten auf einem einzigen Gramm. Ebenso beeindruckend ist seine Langlebigkeit. Herkömmliche Medien wie Magnetbänder und Flash-Speicher neigen dazu, sich zu verschlechtern, sei es durch wiederholten Gebrauch oder einfach mit der Zeit. Auch DNA wird abgebaut, allerdings deutlich langsamer: Je nach Lagerbedingungen kann sie Tausende oder sogar Zehntausende Jahre überdauern.

Es ist daher keine Überraschung, dass Forscher das Speichersystem der Natur als Gefäß für den unerbittlichen Informationsfluss der Welt betrachten.

„Der Kreis schließt sich fast“, sagt Hyunjun Park, CEO von Catalog, einem Unternehmen, das eine Plattform für DNA-basierte Speicherung entwickelt. „Wir kehren zur Natur zurück, um uns für die Entwicklung dieses Mediums inspirieren zu lassen.“

Catalog ist eines der Unternehmen, das auf dem neuesten Stand dieser Technologie ist und eine DNA-basierte Speicherplattform entwickelt, die die immer größeren Dateien der Welt aufnehmen kann 5G, High-Definition-Ära.

Wunderbares Potenzial zu einem albtraumhaften Preis

Die Idee, Daten auf DNA zu speichern, wurde bereits in den 60er Jahren vom sowjetischen Wissenschaftler Michail Neiman vorgeschlagen. In den darauffolgenden Jahrzehnten haben Forscher große Fortschritte bei der Umsetzung gemacht, es gab jedoch erhebliche Hindernisse.

„Der Engpass, der diese Technologie davon abgehalten hat, sich durchzusetzen“, erklärt Park, „war die Tatsache, dass die Speicherung vieler Informationen sehr teuer und langsam ist.“

Entsprechend eine 2018 veröffentlichte Studie, die damals kostengünstigste DNA-Speichertechnik, kostete etwa 3.500 US-Dollar pro MB zum Schreiben der Daten und 1.000 US-Dollar pro MB zum Lesen. Geben Sie Ihr Solid-State-Laufwerk also noch nicht in den Ruhestand.

Der Katalog zielt darauf ab, die Kosten für die DNA-Speicherung zu senken, indem er etwas schafft, das mit einer Druckmaschine vergleichbar ist. das revolutionäre Gerät, das austauschbare, mit Tinte beschichtete Buchstabenblöcke zum schnellen Drucken verwendete Seiten.

„Früher wurde es so gemacht“, erklärt Park, dass die DNA-Basen (ATCG) verwendet werden könnten, um „jede lange Folge von Einsen und Nullen darzustellen, denn das sind die Daten, die man zu schreiben versucht.“ Das Problem bei diesem Ansatz besteht jedoch darin, dass jedes Basenpaar, das Sie hinzufügen, Kosten verursacht und zeitaufwändig ist.“

Bei der Druckmaschinenmethode von Catalog handelt es sich bei den Holzblöcken um „Blöcke aus DNA-Molekülen, die wir vorab synthetisiert haben, allerdings in großen Mengen.“ „In der DNA-Welt“, erklärt er, „ist es wirklich kostengünstig und einfach, wenn man versucht, große Mengen von nur wenigen verschiedenen Molekülen zu synthetisieren – sagen wir, in der Größenordnung von 100.“

„Aber wenn man versucht, sehr kleine Mengen von einer Million verschiedener Moleküle zu synthetisieren“, fährt er fort, „ist das wirklich teuer und langsam.“ Wir nehmen diese größeren Blöcke, die wir in großen Mengen hergestellt haben, und verwenden den von uns entwickelten Drucker, um sie anzuordnen Wir kombinieren verschiedene Kombinationen und fügen sie zusammen, sodass wir diese riesige Vielfalt an verschiedenen Molekülen erhalten, die wir dann unterschiedlich zuordnen können Informationen an.“

Mit der Natur einen besseren Computer bauen

Während die Speicherfähigkeiten von DNA faszinierend sind, ist Park auch von seinem Potenzial für die Datenverarbeitung begeistert. Jahrelang folgten Computer in etwa dem von Moores Gesetz vorgegebenen Weg, der besagte, dass wir etwa alle zwei Jahre die Anzahl der Transistoren, die auf einen Computerchip passen, verdoppeln könnten. Heutzutage sind Computerchips jedoch so klein geworden, dass es immer unwahrscheinlicher wird, weiterhin mehr Transistoren unterzubringen. Im Wesentlichen, Moores Gesetz ist tot, oder zumindest in einem Hospiz.

Der Bedarf der Menschheit an immer größeren Computern ist jedoch groß, und so bemühen sich Forscher darum, neue Arten von Computern zu entwickeln (Quantencomputer, Zum Beispiel). Ein DNA-basierter Computer ist eine Möglichkeit.

„Wir denken, sobald wir Daten in der DNA haben, können wir Enzyme und andere DNA-Moleküle verwenden, um diese Daten zu berechnen“, sagt Park, „und das ist eine hocheffiziente, extrem parallele Methode, diese Daten zu berechnen.“ Es wird nicht für alle alltäglichen Anwendungen oder alle Rechenprobleme gelten, sondern für eine Reihe von Bei Problemen, die für die Gesellschaft immer wichtiger werden, glauben wir, dass DNA ein guter Weg sein wird, damit umzugehen Es."

Park sagt, dass DNA-Computer gut für Probleme geeignet wären, bei denen man große Datenmengen hat, die Berechnungen, die man durchführen muss, aber nicht allzu komplex sind. Als Beispiel stellt er sich ein Szenario vor, in dem jemand Exabytes an Volkszählungsdaten durchforsten muss.

„Man möchte in der Lage sein, all das schnell gleichzeitig zu durchsuchen und die Namen der Personen zu finden die bestimmte Kriterien erfüllen, wie eine bestimmte Altersgruppe, Einkommensgruppe oder geografische Region“, sagte er sagt. „Um das in einem herkömmlichen Computer zu tun und alle über Jahrzehnte gesammelten Exabytes durchzugehen, müsste man das Magnetband zurücklesen das liegt im Cold Storage … dann berechnen Sie darauf in Blöcken, die in den Speicher passen, und dann in Blöcken, die in die Verarbeitungseinheit passen, und zwar seriell Benehmen. Wenn Sie es in DNA haben, wäre das Volumen aufgrund der Informationsdichte der DNA sehr klein. Sie würden also ein paar Sonden einfügen, die sich an die gesuchte Eigenschaft binden für."

Eine Revolution am Horizont

Wann sollten Sie sich also darauf vorbereiten, Ihre aktuelle Ausrüstung wegzuwerfen und durch bio-organische Computerteile zu ersetzen? Wahrscheinlich nicht so schnell.

„Ich denke, dass der Schreibprozess, bei dem man digitale Daten in DNA umwandelt, auf absehbare Zeit in spezialisierten Einrichtungen stattfindet“, sagt Park. DNA-Daten Die Einrichtungen werden die DNA-basierten Daten beherbergen, auf die die Menschen wie auf einen herkömmlichen Server zugreifen können, obwohl er vorschlägt, dass die Menschen im Test Kopien ihrer Daten erhalten könnten Röhren.

DNA-basierte Speicherung und Datenverarbeitung dürften vorerst kein spürbarer Bestandteil des Alltags sein, könnten aber einen enormen Einfluss auf das Gesamtbild der Menschheit haben.