DNA är framtidens hårddisk

Mänskligheten är fantastisk på att skapa saker, men det finns en sak som vår art skapar mer av än nästan allt annat: information.

Långt tillbaka 2013 drog en studie slutsatsen att 90 procent av all världens data hade genererats under de föregående två åren, och ändå verkar den kvantiteten fortfarande liten jämfört med de senaste åren. 2017 skapades 26 zettabyte (en zettabyte = en miljard terabyte) data, vilket är mer än allt som skapades under åren 2010-2013 tillsammans.

Enligt a rapport publicerad 2019, varje dag delar vi 95 miljoner foton och videor på Instagram, lägger upp 500 miljoner tweets på Twitter och skickar 294 miljarder e-postmeddelanden. Även om internet kan verka eteriskt, måste all denna data lagras fysiskt, på hårddiskar och servrar runt om i världen. Problemet är att dessa traditionella medier för datalagring förmodligen inte kan hålla jämna steg med den förväntade översvämningen av data under det kommande decenniet.

Vad är lösningen? Framtidens hårddisk kan faktiskt vara något väldigt gammalt, något som finns i varje person som läser detta: DNA.

Naturens bruksanvisning

Deoxiribonukleinsyra, eller DNA, är den molekyl som bestämmer hur en organism utvecklas. En DNA-molekyl innehåller fyra kvävebaser - adenin (A), tymin (T), guanin (G) och cytosin (C) - och sekvensen av dessa baser bildar instruktioner för hur celler ska utvecklas, vilket påverkar saker som hår- och ögonfärg, höjd osv. på. DNA är i huvudsak bruksanvisningen för att bygga en kropp.

DNA kan också innehålla en svindlande mängd information: 215 petabyte (1 petabyte är cirka 100 miljoner gigabyte) data på ett enda gram. Lika imponerande är dess livslängd. Traditionella medier som magnetband och flashminne tenderar att försämras, antingen genom upprepad användning eller helt enkelt genom tid. DNA bryts också ned, men i en betydligt långsammare hastighet: Beroende på lagringsförhållandena kan det pågå i tusentals eller till och med tiotusentals år.

Det är därför ingen överraskning att forskare ser naturens lagringssystem som ett kärl för världens obevekliga ström av information.

"Det börjar nästan gå runt", säger Hyunjun Park, VD för Catalog, ett företag som bygger en plattform för DNA-baserad lagring. "Vi går tillbaka till naturen för att få inspiration att utveckla detta medium."

Catalog är ett av företagen i framkant av denna teknik, och bygger en DNA-baserad lagringsplattform som kan ta emot de allt större filerna i 5G, högupplöst era.

Underbar potential till ett mardrömslikt pris

Idén att lagra data på DNA föreslogs redan på 60-talet av den sovjetiska vetenskapsmannen Mikhail Neiman. Under decennierna sedan har forskare gjort stora framsteg i att faktiskt göra det, men det har funnits betydande hinder.

"Flaskhalsen som har hindrat den här tekniken från att bli mainstream," förklarar Park, "var det faktum att det är väldigt dyrt och långsamt att lagra mycket information."

Enligt en studie publicerad 2018, den mest kostnadseffektiva DNA-lagringstekniken vid den tiden kostade cirka 3 500 USD per MB för att skriva data och 1 000 USD per MB för att läsa den, så ta inte bort din solid state-enhet än.

Katalog syftar till att sänka kostnaderna för DNA-lagring genom att skapa vad de jämför med en tryckpress, den revolutionerande enheten som använde utbytbara bokstäver, belagda med bläck, för att snabbt skriva ut sidor.

"Så som det gjordes förut," förklarar Park, är att baserna av DNA -ATCG - kunde användas för att "representera vilken lång sträng av 1:or och 0:or som helst, eftersom det är den data du försöker skriva. Men problemet med det tillvägagångssättet är att varje baspar som du lägger till har en kostnad och är tidskrävande."

I Catalogs tryckpressmetod är träblocken "block av DNA-molekyler som vi försyntetiserade, men i stora mängder. I DNA-världen," förklarar han, "om du försöker syntetisera stora mängder av bara några få olika molekyler - säg i storleksordningen 100 - är det verkligen billigt och enkelt att göra.

"Men om du försöker syntetisera mycket små mängder av en miljon olika molekyler," fortsätter han, "så är det väldigt dyrt och långsamt. Vi tar dessa större block som vi har gjort i stora mängder och vi använder skrivaren som vi utvecklade för att ordna dem i olika kombinationer och sätt ihop dem så att vi får denna enorma variation av olika molekyler som vi sedan kan tillskriva olika information till.”

Bygga en bättre dator genom naturen

Även om DNA: s lagringsmöjligheter är spännande, är Park också entusiastiska över dess potential för datoranvändning. I flera år följde datorer ungefär samma väg som Moores lag, som sa att vi vartannat år eller så kunde fördubbla antalet transistorer som fick plats på ett datorchip. Dock har datorchips blivit så små nu för tiden att det är allt mer osannolikt att vi kan fortsätta att pressa in fler transistorer där. Väsentligen, Moores lag är död, eller åtminstone på ett hospice.

Mänsklighetens behov av allt större datorer är emellertid livligt, och därför tävlar forskare om att utveckla nya raser av datorer (kvantdatorer, till exempel). En DNA-baserad dator är en möjlighet.

"Vi tror att när du väl har data i DNA kan vi använda enzymer och andra DNA-molekyler för att beräkna dessa data", säger Park, "och det är ett mycket effektivt, extremt parallellt sätt att beräkna dessa data. Det kommer inte att vara för alla dagliga applikationer eller alla beräkningsproblem, utan för en uppsättning problem som blir allt viktigare för samhället, tror vi att DNA kommer att vara ett bra sätt att gå tillväga Det."

Park säger att DNA-datorer skulle vara väl lämpade för problem där du har en enorm mängd data, men de beräkningar du behöver göra är inte alltför komplexa. Som ett exempel föreställer han sig ett scenario där någon behöver finkamma igenom exabyte av folkräkningsdata.

"Du vill snabbt kunna söka igenom allt det samtidigt och komma på namn på personer som uppfyller en viss uppsättning kriterier som ett visst åldersintervall eller inkomstintervall eller geografisk region", han säger. "För att göra det i en traditionell dator, för att kunna gå igenom alla exabyte som du har samlat på dig i decennier, måste du läsa tillbaka magnetbandet som har legat i kylförvaring … beräkna sedan på det i block som passar in i minnet och sedan i block som passar in i processorenheten, och gör det i en seriell sätt. Om du har det i DNA, skulle volymen vara väldigt liten på grund av informationstätheten hos DNA, och så skulle du släppa in några prober som binder till den egenskap du letar efter för."

En revolution i horisonten

Så när ska du förbereda dig på att slänga ut din nuvarande utrustning och ersätta den med bioorganiska datordelar? Förmodligen inte snart.

"Jag tror att under överskådlig framtid," säger Park, "skrivprocessen där du omvandlar digital data till DNA sker på specialiserade anläggningar." DNA-data anläggningar kommer att hysa DNA-baserade data, som människor kan komma åt som de skulle ha en traditionell server, även om han föreslår att människor kan få kopior av sina data i test rör.

För nu är det sannolikt inte att DNA-baserad lagring och datoranvändning kommer att vara en märkbar del av vardagen, utan något som kan ha en enorm inverkan på helhetssynen på mänskligheten.