Perlu beberapa penyimpanan tambahan? coba dna

Insinyur telah berhasil mendorong lebih banyak penyimpanan ke ruang yang lebih kecil selama beberapa dekade, tetapi itu tidak bisa berlangsung selamanya. Lompatan besar berikutnya dalam penyimpanan data dapat berupa DNA di dalam semua bahan organik: Para ilmuwan di laboratorium di seluruh negeri sedang bereksperimen dengan DNA sintetis sebagai media penyimpanan.

"Jika Anda melihat ke mana arah elektronik, teknologi silikon, banyak teknologi dasar yang kami gunakan untuk membangun komputer saat ini, kami sedang mendekati batas di hampir semuanya, " kata Luis Henrique Ceze, associate professor ilmu komputer dan teknik di University of Washington. "DNA sangat padat, sangat tahan lama, dan butuh sedikit daya untuk mempertahankannya, jadi ada banyak keuntungan menggunakan DNA untuk penyimpanan data."

Ceze telah bekerja dengan Karin Strauss, seorang peneliti arsitektur komputer dengan Microsoft Research, pada kolaborasi antara kedua institusi - sebuah proyek yang menjembatani ilmu komputer dan biologi. Untuk tim yang terdiri dari sekitar 20 orang, universitas menyediakan ahli biologi molekuler, dan Microsoft menyediakan para ilmuwan komputer.

Untuk memahami bagaimana DNA dapat digunakan untuk penyimpanan, pertimbangkan bahwa semua data komputer adalah biner, atau basis-2. DNA adalah basa-4, terdiri dari adenin, sitosin, guanin, dan timin (disingkat A, C, G, dan T). Langkah pertama adalah mengonversi informasi basis-2 ke basis-4, sehingga A berkorespondensi dengan 00, C ke 01, G ke 10, dan T ke 11 (yang menyederhanakannya sedikit tetapi melintasi ide).

Kemudian para ilmuwan menggunakan mesin yang disebut synthesizer DNA untuk menggabungkan empat bahan kimia dalam urutan yang benar. Hasilnya menyimpan informasi berkali-kali sebagai gugus mirip garam yang lebih kecil dari ujung pensil. Membaca kembali informasi itu membutuhkan sequencer DNA.

Walaupun ini mungkin terdengar rapuh - seperti sesuatu yang mungkin meledak ketika pintu terbuka tiba-tiba - DNA adalah media penyimpanan data terkuat yang pernah kita lihat. Para ilmuwan telah berhasil membaca DNA yang berusia ratusan ribu tahun.

Mengurutkan DNA melibatkan menghilangkan sedikit dari bahan yang disimpan, dan proses menghabiskan sampel itu. Akibatnya, rekaman DNA dapat dibaca beberapa kali hingga terbatas. Itu bukan masalah, karena bahan yang disimpan memiliki begitu banyak data yang berlebihan; itu dapat disampel berulang kali. Media penyimpanan saat ini juga memiliki jumlah siklus tulis dan baca yang terbatas sebelum gagal, jadi ini bukan hal yang baru.

Seperti yang ditunjukkan Ceze, DNA tidak akan pernah usang. Sementara banyak dari kita memiliki disket di belakang laci yang tidak bisa kita baca lagi, itu tidak akan menjadi nasib DNA. "Kami akan selalu peduli tentang DNA untuk ilmu kehidupan dan alasan kesehatan, jadi Anda akan selalu memiliki cara membaca informasi yang tersimpan dalam DNA, " kata Ceze.

Pada Juli 2016, Microsoft dan University of Washington berhasil menyandikan 200MB data ke dalam bentuk DNA, melampaui rekor sebelumnya sebesar 22MB. Menggunakan DNA, kata Strauss, adalah mungkin untuk menyimpan 1 exabyte data - itu 1 miliar GB - dalam kubus 1 inci.

"Kami melakukan perkiraan berapa banyak data yang dapat Anda masukkan ke volume tertentu, " kata Strauss. "Kami mencoba memperkirakan berapa volume jika kami hari ini memutuskan untuk mengarsipkan seluruh Internet yang dapat diakses, artinya segala sesuatu yang tidak ada di balik kata sandi atau jenis dinding elektronik, dan kami menghasilkan ukuran kotak sepatu besar."

Kedengarannya seperti usulan yang jauh, tetapi Ceze percaya kita akan melihat sistem penyimpanan DNA komersial di pasar dalam satu dekade. Mereka tidak akan bekerja persis seperti penyimpanan mikroprosesor, karena DNA membutuhkan lingkungan kimia basah untuk pembuatan, tetapi mereka akan memberikan kapasitas besar dan akses acak pada kecepatan yang sama dengan yang disediakan sistem pita perusahaan sekarang.

Bidang Maju Cepat

DNA telah ada selama miliaran tahun, tetapi demonstrasi DNA sebagai teknologi penyimpanan yang dapat digunakan dimulai pada tahun 1986 ketika peneliti MIT Joe Davis menyandikan gambar biner sederhana menjadi 28 pasangan basa DNA.

Pelopor lain dalam bidang ini adalah George Church, seorang profesor genetika yang telah bekerja di Harvard Medical School sejak tahun 1977 dan menjalankan labnya sendiri sejak tahun 1986. Gereja telah tertarik untuk menurunkan biaya membaca dan menulis DNA sejak tahun 1970-an, percaya bahwa suatu hari nanti mereka akan datang bersama untuk membuat penyimpanan data praktis. Dia menjadi tertarik untuk bekerja pada penelitian DNA sekitar tahun 2000 dan melakukan tes sekuensing dan sintesis kritis pada tahun 2003 dan 2004. Pada 2012, dia mampu menggabungkan kedua area dan menciptakan sistem untuk pengkodean data. Dia menulis karya itu dalam artikel 2012 yang berpengaruh di Science .

"Sebelum tahun 2003 dan '04, pengurutan dan sintesis dilakukan pada dasarnya dalam kapiler - atau tabung kecil - di mana Anda akan memiliki satu tabung per urutan, " jelas Church. "Itu cukup manual dan tidak dapat diskalakan. Pelajaran yang kami pelajari dari industri semikonduktor mikrofabrikasi adalah Anda perlu menemukan cara untuk menempatkan mereka pada dasarnya dalam pesawat dua dimensi dan kemudian memperkecil ukuran fitur. Tidak satu pun dari itu metode berbasis kolom yang kompatibel dengan itu, dan pada tahun 2003, kami menunjukkan bagaimana Anda dapat mendistribusikan urutan pada bidang dua dimensi dan kemudian gambar mereka dengan pencitraan fluorescent yang sekarang merupakan cara urutan yang dominan. Kemudian pada tahun 2004, kami menunjukkan bahwa Anda dapat membuat DNA di pesawat dan kemudian melepaskannya, dan kemudian bisa menjadi lebih padat, jadi pesawat itu hanya tempat sementara untuk mensintesisnya, lalu Anda bisa memadatkannya menjadi objek tiga dimensi yang jutaan kali lipat lebih kompak dari penyimpanan data normal.

"Itu adalah bukti latihan konsep pada tahun 2003 dan 2004. Pada tahun 2012, kami dan yang lainnya telah menyempurnakan metode membaca dan menulis untuk DNA, dan saya menyatukannya dalam satu percobaan di mana saya menyandikan sebuah buku yang baru saja saya tulis menjadi DNA, termasuk gambar, menunjukkan bahwa pada dasarnya segala sesuatu yang digital dapat dikodekan dengan DNA."

Meskipun biaya adalah rintangan yang signifikan untuk penyimpanan DNA, Gereja mencatat bahwa harga telah turun tajam dalam waktu singkat yang telah dilakukan penelitian. Biaya membaca DNA telah meningkat sekitar 3 juta kali lipat, sedangkan biaya penulisan telah meningkat satu miliar kali lipat. Dia dapat melihat keduanya meningkat jutaan kali lipat dalam waktu yang lebih singkat. Dia juga menunjukkan bahwa biaya menyalin materi DNA hampir gratis, seperti biaya penyimpanan jangka panjang. Untuk penyimpanan arsip, biaya membaca data bukanlah halangan besar, karena banyak materi yang diarsipkan tidak pernah dibaca, dan beberapa item dibaca secara selektif. Lihatlah biaya seluruh sistem, sarannya. Metode penyimpanan tradisional bergerak dengan kecepatan Hukum Moore dan akan segera naik. Tetapi teknologi penyimpanan DNA bergerak lebih cepat dari hukum Moore dan tidak menunjukkan tanda-tanda dataran tinggi.

Penyimpanan arsip dan cloud adalah tempat Gereja melihat penyimpanan data DNA diadopsi terlebih dahulu. Perusahaan-perusahaan termasuk IBM, Microsoft, dan Technicolor memiliki tim penelitian dan pengembangan mereka sendiri yang mempelajari area tersebut, katanya. Dia berkolaborasi dengan Technicolor pada tahun 2015 untuk menyimpan A Trip to the Moon , sebuah film klasik tahun 1902 yang pernah diyakini hilang, untuk DNA. Sekarang Technicolor memiliki banyak salinan DNA yang, jika digabungkan, tidak lebih besar dari setitik debu.

Church memiliki laboratorium yang terdiri dari 93 orang yang bekerja pada penyimpanan DNA dan saat ini berfokus pada dua tujuan. Yang pertama adalah secara radikal meningkatkan kecepatan per siklus. Informasi disimpan dalam ratusan lapisan, masing-masing setebal molekul. Setiap penambahan saat ini membutuhkan waktu tiga menit, tetapi Gereja percaya itu dapat diturunkan menjadi kurang dari satu milidetik. Itu 200.000 kali lebih cepat, katanya, dan berarti perubahan dari kimia organik ke biokimia. Dia juga ingin mengubah cara instrumen yang digunakan untuk membaca dan menulis dibuat menjadi lebih kecil. Saat ini, mereka ukuran lemari es besar. Dia ingin itu diperkecil.

Built-In Redundancy dan Kebutuhan untuk Koreksi Kesalahan

Salah satu peneliti yang dipengaruhi oleh artikel Science Church 2012 adalah profesor Olgica Milenkovic dari University of Illinois, Urbana-Champaign. Artikel itu menyebutkan perlunya pengkodean, yang segera memicu minatnya. Pengkodean dalam penelitian penyimpanan adalah teknik untuk menambahkan redundansi ke data, redundansi yang nantinya dapat digunakan untuk memperbaiki kesalahan yang terjadi selama proses membaca dan menulis. Untuk contoh mengapa ini penting, lihat dua gambar Citizen Kane di sini. Keduanya dikodekan dalam DNA oleh tim Milenkovic dan kemudian membaca. Tebak yang mana menggunakan redundansi.

Anda benar: Gambar kiri dikodekan dengan redundansi, dan gambar kanan tidak.

Cara sederhana untuk menambahkan redundansi adalah mengulangi setiap karakter beberapa kali. Daripada menulis 0, tulis empat kali. Itu adalah pendekatan brute-force - sederhana tetapi sangat tidak efisien. Pekerjaan Milenkovic adalah tentang mencapai koreksi kesalahan yang sama dengan cara yang lebih canggih. Ini melibatkan teknik yang disebut pemeriksaan paritas atau pemeriksaan kongruensi linier untuk menyediakan cara memverifikasi data.

"Seluruh bidang, pada dasarnya adalah tentang membantu Anda memperbaiki kesalahan jika muncul atau, bahkan lebih baik, menghindari kesalahan yang Anda tahu sangat mungkin muncul, " kata Milenkovic. "Kami memperkenalkan redundansi terkendali untuk menghilangkan kesalahan, dan redundansi terkontrol bukanlah dalam bentuk pengulangan sederhana, karena itu sangat tidak efektif."

Itulah yang membawa Milenkovic ke lapangan, tetapi penelitiannya sekarang adalah tentang menurunkan biaya besar sintesis DNA.

"Murid saya, H. Tabatabae Yazdi, yang sangat aktif dalam topik ini, dan saya telah berusaha sangat keras untuk menghasilkan cara yang cerdas untuk menghindari sintesis DNA. Sintesis DNA benar-benar merupakan hambatan untuk teknologi ini karena biaya tinggi, "Kata Milenkovic.

Meskipun Milenkovic ragu mengungkapkan terlalu banyak tentang penelitian yang tidak dipublikasikan, solusinya melibatkan "pendekatan matematika yang licik" dan semua tentang waktu, di mana ukuran interval antara bit informasi sangat berarti.

"Jika Anda membuang formalitas yang ingin Anda gunakan ATGC untuk benar-benar menyandikan simbol biner di lokasi tertentu, Anda dapat menemukan cara yang lebih cerdas dan lebih efisien untuk menyimpan informasi, karena Anda tidak perlu mensintesis untaian berulang-ulang lagi, "Milenkovic menjelaskan. "Anda dapat mensintesisnya sekali dengan cara tertentu dan kemudian menggunakan kembali DNA yang disintesis dengan cara kombinatorial yang cerdas."

Melalui karyanya, Milenkovic berharap dapat menurunkan biaya mensintesis DNA setidaknya tiga kali lipat. Itu masih belum cukup, katanya, tapi ini kemajuan. Ini juga berkontribusi pada serangkaian penelitian yang menurutnya menarik.

"Sangat menyenangkan, jujur, bermain Tuhan dan menyandikan informasi Anda sendiri dalam DNA, " kata Milenkovic. "Ini memberi seseorang perasaan senang mengetahui bahwa Anda bermain dengan molekul alam yang dipilih dan membuatnya melakukan apa yang ingin Anda simpan dan kodekan dan sampaikan informasi ke masa depan."

Memanfaatkan - Sekarang Setiap Hari

Tidak semua penelitian akademis berdebu kering dengan penyimpanan DNA. Helixworks, sebuah perusahaan yang berbasis di Irlandia, sudah berusaha menghasilkan uang dari itu. Ini memiliki produk di Amazon - semacam.

"Kami meluncurkan di Amazon sehingga Anda bisa mendapatkan 512KB data digital yang dikodekan ke dalam DNA, " jelas Nimesh Pinnamaneni, salah satu pendiri perusahaan. "Itu sesuatu yang sangat kecil. Mungkin sebuah gambar atau mungkin sebuah puisi, sesuatu seperti itu."

Ini adalah pembelian yang tidak biasa, tetapi bisa menjadi token cinta yang sempurna untuk orang yang memiliki segalanya, terutama jika orang itu adalah seorang ilmuwan:

"Saya ingat seorang pelanggan memanggil kami. Dia ingin memberi hadiah kepada istrinya - mereka berdua adalah ahli bioteknologi - dia ingin memberi hadiah kepada istrinya pada ulang tahun pernikahan mereka. Dia ingin memasukkan pesan dalam DNA dan memberinya DNA, " kenang Pinnamaneni. "Dia harus mengurutkan DNA untuk membaca pesan. Itu cara yang cukup rumit untuk mengirim pesan cinta, tapi mungkin itu lucu untuk ahli bioteknologi, kau tahu?"

Tapi Helixworks sedikit lebih maju dari memposting produknya di Amazon pada Agustus 2016, sebelum siap untuk memenuhi pesanan. Dua orang membeli DNADrive perusahaan seharga $ 199 - kapsul emas 14 karat dengan sekelompok DNA di dalamnya - sebelum Helixworks terpaksa menghapus produknya. DNADrive masih di Amazon, tetapi tidak dapat dibeli.

Itu tidak berarti Helixworks sudah berakhir, hanya terlalu bersemangat. Sudah terlalu jauh untuk berhenti sekarang. Perusahaan mulai di Universitas Borås di Swedia, di mana Pinnamaneni (gambar di atas, kiri) dan Sachin Chalapati (kanan), salah satu pendiri perusahaan, mendapatkan gelar master dalam bioteknologi. Mereka mengumpulkan dana untuk penelitian penyimpanan DNA, melanjutkan pekerjaan mereka setelah kembali ke rumah di Bangalore, India, dan mengembangkan bukti konsep.

Mencari dana tambahan membawa mereka ke program akselerator IndieBio yang dijalankan oleh SOSV, sebuah perusahaan modal ventura pemula di San Francisco, California. Helixworks dipilih oleh program dan memenangkan $ 50.000 dalam bentuk tunai dan kemampuan untuk bekerja dari sebuah lab di County Cork, di mana sudah selama enam bulan terakhir. Program ini mencakup pendampingan pada pitching produk, yang akan digunakan Helixworks di festival South by Southwest tahun ini, di mana ia akan bersaing dalam acara pitch.

Sementara mengocok kapsul DNA emas pada akhirnya mungkin merupakan usaha sampingan yang menggiurkan, Pinnamaneni mengatakan masa depan perusahaannya ada di printer DNA rumah dan kantor yang sedang berkembang saat ini. Dia ingin membuat penyimpanan DNA mudah dan terjangkau bagi siapa saja untuk menggunakannya.

"Kami tahu Anda perlu memiliki sesuatu yang berfungsi seperti kartrid di printer, " Pinnamaneni menjelaskan. "Anda hanya memiliki empat warna, dan empat warna ini dapat bergabung untuk membentuk warna apa pun yang memungkinkan, bukan? Begitulah cara kerja printer tinta Anda. Kami tahu kami perlu memiliki sesuatu seperti itu di sistem kami. Kami merancang kartrid 32 reagen yang dapat dikombinasikan untuk membentuk urutan DNA apa pun yang mungkin."

Sementara laboratorium lain membayar sekitar $ 30.000 setiap kali mereka perlu memiliki DNA yang disintesis, sebuah operasi yang membutuhkan waktu berminggu-minggu untuk diselesaikan, Pinnamaneni mengatakan penemuannya dapat menurunkan biaya dan waktu secara dramatis. Helixworks bekerja dengan Opentron, sebuah perusahaan yang membuat peralatan lab otomatis, untuk membuat printer. Itu yang akan dilemparkan di SXSW.

"Apa yang akan kami tunjukkan di lantai pameran adalah penulisan DNA tepat di depan mata Anda, " kata Pinnamaneni.

Perusahaan belum akan menerima pesanan apa pun. Dan itu bagus, karena ahli bioteknologi romantis itu masih menunggu hadiah ulang tahunnya.