追加のストレージが必要ですか？ DNAを試す

エンジニアは何十年もの間、より多くのストレージをより小さなスペースに押し込むことに成功していますが、それは永遠に続くことはできません。 データストレージの次の大きな飛躍は、すべての有機物内部のDNAの形をとることがあります。全国の研究室の科学者は、ストレージDNAとして合成DNAを実験しています。

「エレクトロニクス、シリコンテクノロジー、今日のコンピューターを構築するために使用する多くの基本テクノロジーを見ると、ほとんどすべてのコンピューターで限界に近づいています」とコンピューターサイエンスの准教授ルイス・エンリケ・セズは言います。ワシントン大学で工学を専攻。 「DNAは非常に密度が高く、耐久性が非常に高く、維持するのに必要な電力もほとんどないため、データストレージにDNAを使用することには多くの利点があります。」

Cezeは、Microsoft Researchのコンピューターアーキテクチャ研究者であるKarin Straussと協力して、コンピューター科学と生物学の架け橋となる2つの機関のコラボレーションに取り組んできました。 およそ20人のチームに対して、大学は分子生物学者を提供し、マイクロソフトはコンピューター科学者を提供します。

DNAをストレージに使用する方法を理解するには、すべてのコンピューターデータがバイナリまたはベース2であることを考慮してください。 DNAはベース4で、アデニン、シトシン、グアニン、およびチミン（A、C、G、およびTと略されます）で構成されています。 最初のステップは、ベース2の情報をベース4に変換することです。したがって、Aは00に、Cは01に、Gは10に、Tは11に対応します（これにより少し簡略化されますが、アイデアがわかります）。

次に、科学者はDNAシンセサイザーと呼ばれる機械を使用して、4つの化学物質を正しい順序で組み合わせます。 結果は、鉛筆の先端よりも小さい塩のようなクラスターとして情報を何度も保存します。 その情報を読み返すには、DNAシーケンサーが必要です。

これは壊れやすいように聞こえますが、ドアが突然開くと吹き飛ぶようなものですが、DNAは私たちが見た中で最も強力なデータストレージメディアです。 科学者は何十万年も前のDNAを首尾よく読みました。

DNAの配列決定には、保存されている物質のごく一部を除去することが含まれ、プロセスはそのサンプルを使い果たします。 その結果、DNA記録は有限回数読み取ることができます。 ただし、保存された素材には非常に多くの冗長データがあるため、これは問題ではありません。 何度もサンプリングできます。 また、今日のストレージメディアは、失敗するまでの書き込みおよび読み取りサイクルの数が限られているため、これは新しいことではありません。

Cezeが指摘しているように、DNAは決して時代遅れではありません。 私たちの多くは、もはや読むことができないフロッピーディスクを引き出しの後ろに持っていますが、それはDNAの運命ではありません。 「私たちは常にライフサイエンスと健康上の理由でDNAを気にしているので、DNAに保存されている情報を読む方法を常に持っているでしょう」とCeze氏は言います。

2016年7月、マイクロソフトとワシントン大学は、200MBのデータをDNA形式にエンコードすることに成功し、過去の22MBの記録を打ち破りました。 Straussによれば、DNAを使用すると、1エクサバイトのデータ、つまり10億GBを1インチキューブに保存することが可能になるという。

「特定のボリュームに入れることができるデータの量を推定しました」とシュトラウスは言います。 「アクセス可能なインターネット全体、つまりパスワードやあらゆる種類の電子壁の背後にないものすべてをアーカイブすることにした場合のボリュームを見積もろうとしましたが、大きな靴箱のサイズを思いつきました。」

それは遠い命題のように聞こえますが、Cezeは、10年後には市販のDNAストレージシステムが市場に登場すると考えています。 DNAは作成に湿った化学環境を必要とするため、マイクロプロセッサストレージとまったく同じようには機能しませんが、エンタープライズテープシステムが現在提供するのと同じ速度で大容量とランダムアクセスを提供します。

急速に進歩する分野

DNAは数十億年前から存在していましたが、使用可能なストレージテクノロジーとしてのDNAのデモンストレーションは、1986年にMITの研究者Joe Davisが単純なバイナリイメージを28塩基対のDNAにエンコードしたときに始まりました。

この分野のもう1つの先駆者は、1977年からハーバード大学医学部に勤務し、1986年から自分の研究室を運営している遺伝学教授のジョージチャーチです。1970年代以来、実用的なデータストレージを作成するために一緒になります。 2000年頃にDNAの研究に興味を持ち、2003年と2004年に重要なシーケンスおよび合成テストを実施しました。2012年までに、両方の分野を統合し、データをエンコードするシステムを作成できました。 彼はその研究を2012年の Scienceの 有力な記事に書きました。

「2003年と04年以前は、シーケンスと合成は基本的にキャピラリーまたは小さなチューブで行われていましたが、そこではシーケンスごとに1つのチューブが必要でした」とチャーチは説明します。 「それはかなり手作業であり、スケーラブルではありませんでした。微細加工半導体業界から学んだ教訓は、それらを基本的に2次元の平面に配置し、フィーチャサイズを縮小する方法を考える必要があったことです。カラムベースの方法はそれと互換性があったため、2003年に、配列を2次元平面に分布させ、蛍光イメージングでイメージングする方法を示しました。飛行機でDNAを製造し、それからそれをすり抜けて、さらにコンパクトにすることができたので、飛行機はそれらを合成するための一時的な場所に過ぎませんでした。通常のデータストレージよりもコンパクトです。

「これらは2003年と2004年に概念実証の演習でした。2012年に、私たちと他の人はDNAの読み取りと書き込みの両方の方法を改良しました。画像を含め、基本的にデジタルであるものはすべてDNAでエンコードできることを示しています。」

コストはDNAストレージにとって大きなハードルですが、チャーチは、研究が行われた短い時間で価格が急激に低下したことに注目しています。 DNAの読み取りコストは約300万倍改善されましたが、書き込みのコストは10億倍改善されました。 彼は両方がさらに短い時間でさらに100万倍改善するのを見ることができます。 彼はまた、DNA材料をコピーするコストは、長期保管のコストと同様にほぼ無料であることを指摘しています。 アーカイブストレージの場合、多くのアーカイブされた素材は決して読み込まれず、一部のアイテムは選択的に読み込まれるため、データを読み込むコストは大きな障害にはなりません。 システム全体のコストを見てください、と彼はアドバイスします。 従来の保管方法はムーアの法則の速度で移動し、すぐに安定します。 しかし、DNAストレージ技術はムーアの法則よりも速く動いており、停滞の兆候は見られません。

アーカイブおよびクラウドストレージは、教会がDNAデータストレージを最初に採用している場所です。 IBM、Microsoft、Technicolorなどの企業は、この分野を研究する独自の研究開発チームを持っています、と彼は指摘します。 彼は2015年にテクニカラーと協力し て、 かつて失われたと信じられていた1902年の古典映画「 A Trip to the Moon 」をDNAに保存しまし た 。 現在、Technicolorには多くのDNAコピーがありますが、それらは組み合わされて、ごみの一片より大きくありません。

教会にはDNAストレージに取り組んでおり、現在2つの目標に焦点を当てた93人のラボがあります。 1つは、サイクルあたりの速度を根本的に改善することです。 情報は何百もの層に保存され、それぞれが分子と同じ厚さです。 現在、各追加には3分かかりますが、教会はそれを1ミリ秒未満に短縮できると考えています。 彼は、これは200, 000倍高速であり、有機化学から生化学への変化を意味します。 彼はまた、読み書きに使用される機器の製造方法を変更して、機器をより小さくしたいと考えています。 現在、それらは大型冷蔵庫のサイズです。 彼はそれを縮小したいと考えています。

組み込みの冗長性とエラー修正の必要性

教会の2012年の 科学 記事に影響を受けた研究者の1人は、イリノイ大学アーバナシャンペーン校のOlgica Milenkovic教授です。 この記事では、コーディングの必要性に言及し、すぐに彼女の興味を引き起こしました。 ストレージリサーチのコーディングは、データに冗長性を追加するための手法です。冗長性は、後で読み書きプロセス中に発生するエラーを修正するために使用できます。 これが重要である理由の例については、2つのシチズンケインの写真を参照してください。 どちらもMilenkovicのチームによってDNAにエンコードされ、読み取られました。 冗長性を使用したものを推測します。

正解です。左側の画像は冗長性を持ってエンコードされ、右側の画像は冗長化されていません。

冗長性を追加する簡単な方法は、各文字を設定された回数繰り返すことです。 0を書き込むのではなく、4回書き込みます。 それがブルートフォースアプローチです。シンプルですが、非常に非効率的です。 Milenkovicの仕事は、同じエラー修正をより洗練された方法で達成することです。 パリティチェックまたは線形合同チェックと呼ばれる手法を使用して、データを検証する方法を提供します。

「フィールド全体は、基本的に、エラーが表示された場合にエラーを修正するのを支援するか、さらに良いことに、表示される可能性が非常に高いとわかっているエラーを回避することです」とMilenkovic氏は言います。 「エラーを取り除くために制御された冗長性を導入しますが、制御された冗長性は単純な繰り返しの形ではありません。それは非常に効果がないからです。」

これがミレンコビッチをこの分野にもたらしたが、彼女の研究は現在、DNA合成の莫大なコストを削減することに関するものだ。

「このトピックで非常に活発だった私の学生、H。Tabatabae Yazdi。私はDNAの合成を避けるための賢明な方法を考え出すことに本当に一生懸命取り組んでいます。 、」とMilenkovicは言います。

ミレンコビッチは未発表の研究についてあまりにも多くのことを明らかにしたがりませんが、彼女の解決策は「cな数学的アプローチ」を伴い、情報のビット間の間隔のサイズが意味のあるタイミングに関するものです。

「特定の場所でバイナリシンボルを実際にエンコードするためにATGCを使用する形式を省くと、ストランドを何度も合成する必要がないため、情報を格納するためのはるかにスマートで効率的な手段を思いつくことができます。再び」とミレンコビッチは説明する。 「特定の方法で一度合成してから、合成したDNAをスマートな組み合わせで再利用できます。」

ミレンコビッチは、彼女の仕事を通じて、DNA合成のコストを少なくとも3桁下げることを望んでいます。 彼女はまだ十分ではない、と彼女は指摘しますが、進歩しています。 また、彼女が興味をそそる一連の研究にも貢献しています。

「正直に言って、神を演じ、自分の情報をDNAにエンコードすることは非常にエキサイティングです」とMilenkovic氏は言います。 「選ばれた自然の分子で遊んでいるということを知り、情報を保存し、エンコードし、将来に伝えたいと思うようにすることは、人に興奮感を与えます。」

キャッシングイン-いつでも今日

DNAストレージを使用した乾いた埃の多い学術研究だけではありません。 アイルランドに本拠を置く会社Helixworksは、すでに収益を上げようとしています。 Amazonに製品があります。

「私たちはAmazonで起動し、512KBのデジタルデータをDNAにエンコードできるようにしました」と、同社の共同設立者であるNimesh Pinnamaneni氏は説明します。 「それは非常に小さいものです。たぶん、絵や詩かもしれません。」

それは異常な購入ですが、特にその人が科学者である場合、すべてを持っている人にとって完璧な愛のトークンになる可能性があります：

「私たちに電話をかけてきた顧客を覚えています。彼は妻に贈りたいと思っていました。どちらもバイオテクノロジー学者です。結婚記念日に妻に贈りたいと思っていました。 「彼女はDNAをシーケンスしてメッセージを読む必要があります。愛のメッセージを送信するのはかなり複雑な方法ですが、バイオテクノロジー学者にとってはかわいいかもしれません。」

しかし、Helixworksは、注文を処理する準備が整う前に、2016年8月に製品をAmazonに投稿するよりも少し先を行っています。 Helixworksが製品のリストから削除することを余儀なくされる前に、2人が同社の199ドルのDNADriveを購入しました。 DNADriveはまだAmazonにありますが、購入することはできません。

だからといって、Helixworksが終わったわけではなく、熱心すぎるだけです。 今やめるには遠すぎます。 同社はスウェーデンのボロース大学で始まりました。ここでは、ピンナマネニ（上写真左）とサチンチャラパティ（右）が共同設立者で、バイオテクノロジーの修士号を取得していました。 彼らはDNAストレージ研究のための資金を集め、インドのバンガロールに戻って仕事を続け、概念実証を開発しました。

追加資金を投じることで、カリフォルニア州サンフランシスコにあるベンチャーキャピタルのSOSVが運営するIndieBioアクセラレータプログラムに参加しました。 Helixworksはプログラムによって選ばれ、現金で50, 000ドルを獲得し、過去6か月間、Cork郡の研究室で働くことができました。 このプログラムには、製品のピッチングに関する指導が含まれており、Helixworksが今年のSouth by Southwestフェスティバルで使用し、そこでピッチイベントに参加します。

金色のDNAカプセルを大量生産することは最終的には有利な副産物かもしれませんが、Pinnamaneni氏は、会社の将来は現在開発中の家庭用およびオフィス用のコンパクトなDNAプリンターにあると述べています。 彼は、誰でも使用できるようにDNAストレージを簡単で手頃な価格にしたいと考えています。

「プリンタのカートリッジのように機能するものが必要であることがわかりました」とPinnamaneni氏は説明します。 「あなたは4色だけで、これらの4色を組み合わせて可能な任意の色を形成できますよね？それがあなたのインクプリンターの仕組みです。システムにそのようなものが必要であることがわかりました。組み合わせて、可能な任意のDNA配列を形成できます。」

他のラボでは、DNAを合成する必要があるたびに約30, 000ドルを支払っていますが、これには数週間かかるため、Pinnamaneni氏は、この発明によりコストと時間を大幅に削減できると述べています。 Helixworksは、自動化されたラボ機器を製造するOpentronsと協力して、プリンターを作成しています。 それがSXSWで売り込むものです。

「エキスポフロアで私たちが実演するのは、目の前でDNAを書くことです」とPinnamaneni氏は言います。

同社はまだ注文を受け付けていません。 そして、それは良いことです。なぜなら、そのロマンチックなバイオテクノロジー学者は、彼の記念日の贈り物をまだ待っているからです。