DNA on tulevaisuuden kovalevy

Ihmiskunta on loistava luomaan asioita, mutta on olemassa yksi asia, jota lajimme luo enemmän kuin melkein mitään muuta: tietoa.

Jo vuonna 2013 tehdyssä tutkimuksessa todettiin, että 90 prosenttia kaikesta maailman tiedosta oli tuotettu kahden edellisen vuoden aikana, ja silti määrä näyttää edelleen pieneltä viime vuosiin verrattuna. Vuonna 2017 luotiin 26 zettatavua (yksi zettatavu = miljardi teratavua), mikä on enemmän kuin kaikki vuosina 2010-2013 luotu yhteensä.

Mukaan a 2019 julkaistu raportti, jaamme joka päivä 95 miljoonaa kuvaa ja videota Instagramissa, julkaisemme 500 miljoonaa twiittiä Twitterissä ja lähetämme 294 miljardia sähköpostia. Vaikka Internet saattaa tuntua eteeriseltä, kaikki nämä tiedot on tallennettava fyysisesti, kiintolevyille ja palvelimille ympäri maailmaa. Ongelmana on, että nuo perinteiset tiedontallennusvälineet eivät todennäköisesti pysty pysymään odotettavissa olevan datatulvan mukana seuraavan vuosikymmenen aikana.

Mikä on ratkaisu? Tulevaisuuden kovalevy voi itse asiassa olla jotain hyvin vanhaa, jotain, joka on jokaisen tämän lukevan ihmisen sisällä: DNA.

Luonnon ohjekirja

Deoksiribonukleiinihappo tai DNA on molekyyli, joka määrää, kuinka organismi kehittyy. DNA-molekyyli sisältää neljä typpiemästä - adeniini (A), tymiini (T), guaniini (G) ja sytosiini (C) - ja sekvenssin Näistä perusteista muodostuu ohjeita siitä, kuinka solujen tulisi kehittyä, vaikuttaen esimerkiksi hiusten ja silmien väriin, pituuteen ja niin edelleen päällä. DNA on pohjimmiltaan ohjekirja kehon rakentamiseen.

DNA: han mahtuu myös hämmästyttävä määrä tietoa: 215 petabyyttiä (1 petabyytti on noin 100 miljoonaa gigatavua) dataa yhdellä grammalla. Yhtä vaikuttavaa on sen pitkäikäisyys. Perinteisillä tietovälineillä, kuten magneettinauhalla ja flash-muistilla, on taipumus huonontua joko toistuvan käytön tai yksinkertaisesti ajan myötä. Myös DNA hajoaa, mutta huomattavasti hitaammin: Säilytysolosuhteista riippuen se voi kestää tuhansia tai jopa kymmeniä tuhansia vuosia.

Ei siis ole yllätys, että tutkijat näkevät luonnon varastojärjestelmän säiliönä maailman säälimättömälle tietovirralle.

"Se on melkein tulossa täyteen", sanoo Hyunjun Park, Catalogin toimitusjohtaja, DNA-pohjaista tallennusalustaa rakentava yritys. "Palaamme takaisin luontoon saadaksemme inspiraatiota tämän välineen kehittämiseen."

Catalog on yksi tämän teknologian kärjessä olevista yrityksistä, joka rakentaa DNA-pohjaista tallennusalustaa, johon mahtuu yhä suuremmat tiedostot 5G, teräväpiirto-aikakausi.

Mahtavaa potentiaalia painajaismaiseen hintaan

Neuvostoliiton tiedemies Mihail Neiman ehdotti ajatusta DNA-tietojen tallentamisesta jo 60-luvulla. Sen jälkeen vuosikymmeninä tutkijat ovat ottaneet suuria harppauksia sen tekemisessä, mutta merkittäviä esteitä on kuitenkin ollut.

"Pullonkaula, joka on estänyt tämän tekniikan yleistymisen", Park selittää, "on se tosiasia, että se on todella kallista ja hidasta tallentaa paljon tietoa."

Mukaan vuonna 2018 julkaistusta tutkimuksesta, kustannustehokkain DNA-tallennustekniikka maksoi tuolloin noin 3 500 dollaria per megatavu tietojen kirjoittaminen ja 1 000 dollaria per megatavu niiden lukeminen, joten älä poista SSD-asemaasi vielä.

Katalogin tavoitteena on alentaa DNA-säilytyksen kustannuksia luomalla painokoneeseen verrattavissa olevia kustannuksia. vallankumouksellinen laite, joka käytti vaihdettavia, musteella päällystettyjä kirjainlohkoja nopeaan tulostamiseen sivuja.

"Aiemmin se tehtiin", Park selittää, että DNA: n emäksiä – ATCG – voidaan käyttää ”edustamaan mitä tahansa pitkää ykkösten ja nollien merkkijonoa, koska se on data, jota yrität kirjoittaa. Mutta tämän lähestymistavan ongelmana on, että jokainen lisäämäsi kantapari maksaa ja vie aikaa."

Catalogin painokonemenetelmässä puukappaleet ovat "esyntetisoimien DNA-molekyylien lohkoja, mutta suuria määriä. DNA-maailmassa, hän selittää, "jos yrität syntetisoida suuria määriä vain muutamia eri molekyylejä - vaikkapa noin 100 - se on todella halpaa ja helppoa tehdä.

"Mutta jos yrität syntetisoida hyvin pieniä määriä miljoona erilaista molekyyliä", hän jatkaa, "se on todella kallista ja hidasta. Otamme nämä isommat kappaleet, joita olemme valmistaneet suuria määriä, ja käytämme kehittämäämme tulostinta järjestämään ne erilaisia ​​yhdistelmiä ja liittää ne yhteen, jotta saamme tämän valtavan valikoiman erilaisia ​​molekyylejä, jotka voimme sitten luokitella erilaisiksi tiedot."

Paremman tietokoneen rakentaminen luonnon kautta

Vaikka DNA: n tallennusominaisuudet ovat kiehtovia, Park on myös innoissaan sen mahdollisuuksista tietojenkäsittelyyn. Vuosien ajan tietokoneet seurasivat suunnilleen Mooren lain määräämää polkua, jonka mukaan joka toinen vuosi voisimme kaksinkertaistaa tietokonepiirille mahtuvien transistorien määrän. Tietokonesiruista on kuitenkin tullut niin pieniä nykyään, että on yhä epätodennäköisempää, että pystymme puristamaan sinne lisää transistoreita. Pohjimmiltaan Mooren laki on kuolluttai ainakin saattohoidossa.

Ihmiskunnan tarve yhä suurempiin tietokoneisiin on kuitenkin vilkas, ja siksi tutkijat kilpailevat kehittääkseen uusia tietokoneita (kvanttitietokoneet, esimerkiksi). DNA-pohjainen tietokone on yksi mahdollisuus.

"Uskomme, että kun DNA: ssa on dataa, voimme käyttää entsyymejä ja muita DNA-molekyylejä laskeaksemme nämä tiedot", Park sanoo, "ja se on erittäin tehokas, äärimmäisen rinnakkainen tapa laskea tiedot. Se ei koske kaikkia päivittäisiä sovelluksia tai kaikkia laskentaongelmia, vaan joukko yhteiskunnalle yhä tärkeämpiä ongelmia, uskomme DNA: n olevan loistava tapa ratkaista se."

Park sanoo, että DNA-tietokoneet soveltuisivat hyvin ongelmiin, joissa dataa on valtavasti, mutta tarvitsemasi laskelmat eivät ole liian monimutkaisia. Esimerkkinä hän kuvittelee skenaarion, jossa jonkun täytyy käydä läpi eksatavuja väestölaskentatietoja.

”Haluat pystyä nopeasti etsimään kaikkea sitä samanaikaisesti ja keksimään ihmisten nimiä jotka täyttävät tietyt kriteerit, kuten tietyn ikä- tai tuloalueen tai maantieteellisen alueen”, hän sanoo. "Jotta voit tehdä sen perinteisessä tietokoneessa, jotta voisit käydä läpi kaikki vuosikymmenien ajan keräämäsi eksatavut, sinun on luettava magneettinauha takaisin joka on ollut kylmävarastossa… laske se sitten lohkoina, jotka sopivat muistiin, ja sitten lohkoissa, jotka sopivat prosessointiyksikköön, ja tee se sarjana tavalla. Jos sinulla on se DNA: ssa, tilavuus olisi todella pieni DNA: n informaatiotiheyden vuoksi, ja niin pudottaisit muutaman koettimen, jotka sitoutuvat etsimääsi ominaisuuteen varten."

Vallankumous horisontissa

Milloin sinun pitäisi siis valmistautua heittämään pois nykyiset varusteesi ja korvaamaan ne bioorgaanisilla tietokoneen osilla? Ei varmaan ihan lähiaikoina.

"Uskon, että lähitulevaisuudessa kirjoitusprosessi, jossa digitaalista dataa muunnetaan DNA: ksi, tapahtuu erikoistiloissa", Park sanoo. DNA-tiedot tilat sisältävät DNA-pohjaiset tiedot, joita ihmiset voivat käyttää kuin perinteistä palvelinta, vaikka hän ehdottaa, että ihmiset voisivat saada kopioita tiedoistaan ​​testissä putket.

Toistaiseksi DNA-pohjainen tallennus ja tietojenkäsittely eivät todennäköisesti ole havaittavissa oleva osa jokapäiväistä elämää, mutta asia, jolla voi olla valtava vaikutus ihmiskunnan kokonaiskuvaan.