DNA er fremtidens harddisk

Menneskeheten er flink til å skape ting, men det er én ting vår art skaper mer av enn nesten noe annet: informasjon.

Helt tilbake i 2013 konkluderte en studie med at 90 prosent av all verdens data hadde blitt generert i løpet av de to foregående årene, og likevel virker den mengden fortsatt liten sammenlignet med de siste årene. I 2017 ble det opprettet 26 zettabyte (én zettabyte = en milliard terabyte) med data, som er mer enn alt som ble opprettet i årene 2010-2013 til sammen.

I følge a rapport publisert i 2019, hver dag deler vi 95 millioner bilder og videoer på Instagram, legger ut 500 millioner tweets på Twitter og sender 294 milliarder e-poster. Selv om internett kan virke eterisk, må alle disse dataene lagres fysisk, på harddisker og servere over hele verden. Problemet er at de tradisjonelle mediene for datalagring sannsynligvis ikke kan holde tritt med den forventede flommen av data i løpet av det kommende tiåret.

Hva er løsningen? Fremtidens harddisk kan faktisk være noe veldig gammelt, noe som er inne i hver person som leser dette: DNA.

Naturens bruksanvisning

Deoksyribonukleinsyre, eller DNA, er molekylet som dikterer hvordan en organisme utvikler seg. Et DNA-molekyl inneholder fire nitrogenbaser - adenin (A), tymin (T), guanin (G) og cytosin (C) - og sekvensen av disse basene danner instruksjoner for hvordan celler skal utvikle seg, og påvirker ting som hår- og øyenfarge, høyde og så på. DNA er egentlig bruksanvisningen for å bygge en kropp.

DNA kan også inneholde en svimlende mengde informasjon: 215 petabyte (1 petabyte er omtrent 100 millioner gigabyte) med data på et enkelt gram. Like imponerende er dens levetid. Tradisjonelle medier som magnetbånd og flash-minne har en tendens til å degraderes, enten det er gjentatt bruk eller bare tid. DNA brytes også ned, men med en betydelig langsommere hastighet: Avhengig av lagringsforholdene kan det vare i tusenvis, eller til og med titusenvis, av år.

Det er derfor ingen overraskelse at forskere ser på naturens lagringssystem som et fartøy for verdens nådeløse strøm av informasjon.

"Det er nesten i full sirkel," sier Hyunjun Park, administrerende direktør i Catalog, et selskap som bygger en plattform for DNA-basert lagring. "Vi går tilbake til naturen for å få inspirasjon til å utvikle dette mediet."

Catalog er et av selskapene som er i spissen for denne teknologien, og bygger en DNA-basert lagringsplattform som kan romme stadig større filer fra 5G, høydefinisjonstid.

Fantastisk potensial til en marerittaktig pris

Ideen om å lagre data på DNA ble foreslått tilbake på 60-tallet av den sovjetiske vitenskapsmannen Mikhail Neiman. I tiårene siden har forskere gjort store fremskritt med å faktisk gjøre det, men det har vært betydelige hindringer.

"Flaskehalsen som har hindret denne teknologien fra å bli mainstream," forklarer Park, "var det faktum at det er veldig dyrt og tregt å lagre mye informasjon."

I følge en studie publisert i 2018, kostet den mest kostnadseffektive DNA-lagringsteknikken på den tiden rundt $3500 per MB for å skrive dataene og $1000 per MB for å lese dem, så ikke pensjoner solid state-stasjonen ennå.

Katalog tar sikte på å redusere kostnadene for DNA-lagring ved å lage det de sammenligner med en trykkpresse, den revolusjonerende enheten som brukte utskiftbare bokstavblokker, belagt med blekk, for raskt å skrive ut sider.

"Måten det ble gjort før," forklarer Park, er at DNA-basene -ATCG- kan brukes til å "representere en hvilken som helst lang streng med 1-er og 0-er, fordi det er dataene du prøver å skrive. Men problemet med den tilnærmingen er at hvert basepar du legger til har en kostnad og er tidkrevende."

I Catalogs trykkpressemetode er treklossene "blokker av DNA-molekyler som vi forhåndssyntetiserte, men i store mengder. I DNA-verdenen," forklarer han, "hvis du prøver å syntetisere store mengder av bare noen få forskjellige molekyler - si i størrelsesorden 100 - er det veldig billig og enkelt å gjøre.

"Men hvis du prøver å syntetisere veldig små mengder av en million forskjellige molekyler," fortsetter han, "er det veldig dyrt og tregt. Vi tar disse større blokkene som vi har laget i store mengder, og vi bruker skriveren som vi utviklet for å ordne dem i forskjellige kombinasjoner og fest dem sammen slik at vi får denne enorme variasjonen av forskjellige molekyler som vi deretter kan tilskrive forskjellige informasjon til."

Bygge en bedre datamaskin gjennom naturen

Mens DNAs lagringsevne er spennende, er Park også begeistret for potensialet for databehandling. I årevis fulgte datamaskiner omtrent veien som ble lagt ut av Moores lov, som sa at hvert annet år eller så kunne vi doble antallet transistorer som passer på en databrikke. Databrikker har imidlertid blitt så små i disse dager at det er stadig mer usannsynlig at vi kan fortsette å presse inn flere transistorer der. I bunn og grunn, Moores lov er død, eller i det minste på et hospice.

Menneskehetens behov for stadig større datamaskiner er imidlertid livlig, og derfor kappløper forskere for å utvikle nye raser av datamaskiner (kvantedatamaskiner, for eksempel). En DNA-basert datamaskin er én mulighet.

"Vi tror at når du først har data i DNA, kan vi bruke enzymer og andre DNA-molekyler til å beregne disse dataene," sier Park, "og det er en svært effektiv, ekstremt parallell måte å beregne disse dataene på. Det kommer ikke til å være for alle daglige applikasjoner eller alle beregningsproblemer, men for et sett med problemer som blir stadig viktigere for samfunnet, tror vi DNA vil være en fin måte å gå frem på den."

Park sier at DNA-datamaskiner ville være godt egnet for problemer der du har en enorm mengde data, men beregningene du trenger å gjøre er ikke for komplekse. Som et eksempel ser han for seg et scenario der noen trenger å finkjemme exabyte med folketellingsdata.

"Du vil raskt kunne søke gjennom alt dette samtidig og komme opp med navn på folk som oppfyller et visst sett med kriterier som en viss aldersgruppe eller inntektsområde eller geografisk region," han sier. "For å gjøre det på en tradisjonell datamaskin, for å kunne gå gjennom alle exabytene du har samlet i flere tiår, må du lese tilbake magnetbåndet som har stått i kjølelager... så regner du på det i blokker som passer inn i minnet, og deretter i blokker som passer inn i prosesseringsenheten, og gjør det i en seriell måte. Hvis du har det i DNA, ville volumet være veldig lite på grunn av informasjonstettheten til DNA, og så du ville slippe inn noen få sonder som binder seg til egenskapen du ser etter til."

En revolusjon i horisonten

Så når bør du forberede deg på å kaste ut det nåværende utstyret ditt og erstatte det med bioorganiske datadeler? Sannsynligvis ikke med det første.

"Jeg tror at i overskuelig fremtid," sier Park, "skriveprosessen der du konverterer digitale data til DNA skjer på spesialiserte fasiliteter." DNA-data Fasilitetene vil huse de DNA-baserte dataene, som folk kan få tilgang til som en tradisjonell server, selv om han foreslår at folk kan få kopier av dataene deres i test rør.

Foreløpig er det ikke sannsynlig at DNA-basert lagring og databehandling er en merkbar del av hverdagen, men noe som kan ha stor innvirkning på det store bildet av menneskeheten.