추가 저장 공간이 필요하십니까? DNA를 시도

엔지니어들은 수십 년 동안 더 많은 스토리지를 더 작은 공간으로 성공적으로 밀고 왔지만 영원히 지속될 수는 없습니다. 데이터 저장의 다음 큰 도약은 모든 유기 물질 내부에서 DNA의 형태를 취할 수 있습니다. 전국 실험실의 과학자들은 합성 DNA를 저장 매체로 실험하고 있습니다.

컴퓨터 공학 부교수 인 Luis Henrique Ceze는“전자 제품이 어디로 가는지 살펴보면 오늘날 컴퓨터를 만드는 데 사용하는 많은 기본 기술인 실리콘 기술인 거의 모든 기술이 한계에 다 다르고 있습니다. 워싱턴 대학에서 공학. "DNA는 매우 밀도가 높고 내구성이 뛰어나며 유지 관리에 전력이 거의 들지 않으므로 데이터 저장에 DNA를 사용하는 이점이 많습니다."

Ceze는 Microsoft Research의 컴퓨터 아키텍처 연구원 인 Karin Strauss와 함께 두 기관 (컴퓨터 과학 및 생물학을 연결하는 프로젝트) 간의 협력을 위해 협력하고 있습니다. 약 20 명으로 구성된 팀의 경우이 대학은 분자 생물 학자, Microsoft는 컴퓨터 과학자를 제공합니다.

DNA를 저장에 사용하는 방법을 이해하려면 모든 컴퓨터 데이터가 2 진 또는 2 진인 것을 고려하십시오. DNA는 아데닌, 시토신, 구아닌 및 티민 (A, C, G 및 T로 약칭 됨)으로 구성된 base-4입니다. 첫 번째 단계는 base-2 정보를 base-4로 변환하는 것이므로 A는 00, C에서 01, G에서 10, T에서 11에 해당합니다.

그런 다음 과학자들은 DNA 합성기라는 기계를 사용하여 네 가지 화학 물질을 올바른 순서로 결합합니다. 결과는 연필 끝보다 작은 소금 같은 클러스터로 정보를 여러 번 저장합니다. 그 정보를 다시 읽으려면 DNA 시퀀서가 필요합니다.

문이 갑자기 열리면 깨지기 쉬운 것처럼 들리지만 DNA는 우리가 본 가장 강력한 데이터 저장 매체입니다. 과학자들은 수십만 년 된 DNA를 성공적으로 읽었습니다.

DNA 염기 서열 분석은 약간의 저장된 물질을 제거하는 과정을 포함하며, 그 과정에서 샘플이 고갈됩니다. 결과적으로, DNA 기록은 한정된 횟수로 판독 될 수있다. 그러나 저장된 자료에 너무 많은 중복 데이터가 있기 때문에 문제가되지 않습니다. 반복해서 샘플링 할 수 있습니다. 오늘날의 저장 매체는 장애가 발생하기 전에 제한된 수의 쓰기 및 읽기주기를 갖기 때문에 새로운 것은 아닙니다.

Ceze가 지적했듯이 DNA는 결코 쓸모 없을 것입니다. 우리 중 많은 사람들이 더 이상 읽을 수없는 서랍 뒤에 플로피 디스크를 가지고 있지만 DNA의 운명은 아닙니다. "우리는 항상 생명 과학 및 건강상의 이유로 DNA에 관심을 기울일 것이므로 항상 DNA에 저장된 정보를 읽는 방법을 갖게 될 것입니다."라고 Ceze는 말합니다.

2016 년 7 월, Microsoft와 University of Washington은 200MB의 데이터를 DNA 형태로 성공적으로 인코딩하여 이전 기록 인 22MB를 기록했습니다. Strauss는 DNA를 사용하여 1 인치 큐브에 1 엑사 바이트의 데이터 (10 억 GB)를 저장할 수있을 것이라고 말했다.

Strauss는“우리는 특정 볼륨에 넣을 수있는 데이터의 양을 추정했습니다. "오늘날 액세스 가능한 인터넷 전체를 보관하기로 결정했다면, 암호 나 전자 벽이없는 모든 것을 의미하며, 큰 신발 상자의 크기를 생각 해냈다면, 우리는 볼륨이 어떻게 될지 추정하려고했습니다."

그것은 먼 제안처럼 들리지만, Ceze는 우리가 10 년 안에 상용 DNA 저장 시스템을 시장에서 보게 될 것이라고 믿는다. DNA는 생성을 위해 습식 화학 환경이 필요하기 때문에 마이크로 프로세서 스토리지와 똑같이 작동하지 않지만 엔터프라이즈 테이프 시스템이 제공하는 것과 동일한 속도로 대용량 및 임의 액세스를 제공합니다.

빠르게 발전하는 분야

DNA는 수십억 년 전부터 사용되어 왔지만, 1986 년 MIT 연구원 인 조 데이비스 (Joe Davis)가 간단한 이진 이미지를 28 개의 염기쌍 DNA로 인코딩했을 때 유용한 저장 기술로서 DNA의 시연이 시작되었습니다.

이 분야의 또 다른 선구자는 1977 년 이후 하버드 의과 대학에서 일하고 1986 년부터 자체 실험실을 운영하고있는 유전학 교수 인 조지 교회입니다. 교회는 1970 년대 이후 DNA 읽기와 쓰기 비용을 낮추는 데 관심을 갖고 있으며 언젠가는 믿습니다. 실용적인 데이터 스토리지를 만들기 위해 함께 모였습니다. 그는 2000 년경 DNA 연구에 관심을 가지게되었고 2003 년과 2004 년에 중요한 시퀀싱 및 합성 테스트를 수행했습니다. 2012 년에는 두 영역을 통합하고 데이터 인코딩 시스템을 만들 수있었습니다. 그는이 작업을 Science 의 영향력있는 2012 년 기사에 썼습니다.

"2003 년과 '04 년 이전에는 시퀀싱 및 합성이 기본적으로 모세관 (또는 작은 튜브)에서 수행되었는데, 여기에는 시퀀스 당 하나의 튜브가 있습니다." "이것은 꽤 수동적이며 확장 할 수 없었습니다. 우리가 미세 제조 반도체 산업에서 배운 교훈은 본질적으로 2 차원 평면에 배치 한 다음 피처 크기를 축소 할 수있는 방법을 찾아야한다는 것입니다. 컬럼 기반 방법은 그와 호환되므로 2003 년에 2 차원 평면에 서열을 분포시킨 다음 형광 이미징으로 이미지를 이미징하여 시퀀싱의 주요한 방법으로 사용하는 방법을 보여주었습니다. 평면에서 DNA를 제조 한 다음 미끄러질 수 있고, 더 컴팩트 할 수 있습니다. 그래서 평면은 그것들을 합성하기위한 임시 장소 일뿐입니다. 그러면 수백만 번인 3 차원 물체로 압축 할 수 있습니다 일반 데이터 스토리지보다 컴팩트합니다.

"그들은 2003 년과 2004 년에 개념 연습의 증거였습니다. 2012 년에 우리와 다른 사람들은 DNA에 대한 읽기와 쓰기 방법을 모두 정교화했고, 그것들을 방금 DNA로 쓴 책을 인코딩하는 하나의 실험에 넣었습니다. 이미지를 포함하여 기본적으로 디지털 인 모든 것이 DNA로 인코딩 될 수 있음을 보여줍니다."

DNA 저장에는 비용이 큰 장애물이지만, Church는 연구가 완료된 짧은 시간에 가격이 급격히 떨어 졌다고 지적했다. DNA를 읽는 데 드는 비용은 약 3 백만 배가되었고, 쓰는 데 드는 비용은 10 억 배가되었습니다. 그는 훨씬 짧은 시간에 또 다른 백만 배 개선을 볼 수 있습니다. 그는 또한 장기 보관 비용과 마찬가지로 DNA 물질을 복제하는 비용은 거의 무료라고 지적했다. 아카이브 스토리지의 경우 많은 아카이브 자료를 읽지 않고 일부 항목을 선택적으로 읽으므로 데이터를 읽는 데 드는 비용은 큰 문제가되지 않습니다. 그는 전체 시스템의 비용을 살펴 보라고 조언했다. 전통적인 저장 방법은 무어의 법칙 속도로 움직이고 곧 정체 될 것입니다. 그러나 DNA 저장 기술은 무어의 법칙보다 빠르게 움직이고 있으며 정체의 징후는 보이지 않습니다.

보관 및 클라우드 스토리지는 교회가 DNA 데이터 스토리지가 가장 먼저 채택되는 시점입니다. IBM, Microsoft 및 Technicolor를 포함한 회사는 자체 연구 개발 팀이이 분야를 연구하고 있다고 그는 말합니다. 그는 2015 년 Technicolor와 협력하여 한때 잃어버린 것으로 여겨지는 고전적인 1902 영화인 A Trip to the Moon 을 DNA에 저장했습니다. 이제 Technicolor에는 많은 DNA 사본이 있습니다.

교회에는 93 명의 실험실이 DNA 저장 작업을하고 있으며 현재 두 가지 목표에 중점을두고 있습니다. 첫 번째는 사이클 당 속도를 크게 향상시키는 것입니다. 정보는 각각 분자만큼 두꺼운 수백 개의 층에 저장됩니다. 각 추가에는 현재 3 분이 걸리지 만, 교회는이를 1 밀리 초 미만으로 줄일 수 있다고 생각합니다. 그는 20 만 배 더 빠르며 유기 화학에서 생화학으로의 변화를 의미한다고 그는 지적했다. 또한 읽기 및 쓰기에 사용되는 기기가 훨씬 작게 제조되는 방식을 변경하고 싶어합니다. 현재는 대형 냉장고의 크기입니다. 그는 축소 된 것을 원한다.

기본 제공 중복성 및 오류 수정 필요성

Church의 2012 Science 논문에 영향을받은 한 연구원은 Urbana-Champaign의 일리노이 대학 Olgica Milenkovic 교수입니다. 이 기사는 코딩의 필요성을 언급했으며, 이는 즉시 그녀의 관심을 불러 일으켰습니다. 스토리지 리서치의 코딩은 데이터에 중복성을 추가하고 나중에 읽고 쓰는 과정에서 발생하는 오류를 수정하는 데 사용할 수있는 중복성을 추가하는 기술입니다. 이것이 중요한 이유의 예를 보려면 여기 두 개의 시민 케인 그림을 참조하십시오. 둘 다 Milenkovic의 팀에 의해 DNA로 인코딩 된 다음 읽었습니다. 어느 것이 중복을 사용했는지 추측하십시오.

맞습니다. 왼쪽 이미지는 중복으로 인코딩되었으며 오른쪽 이미지는 인코딩되지 않았습니다.

중복성을 추가하는 간단한 방법은 각 문자를 정해진 횟수만큼 반복하는 것입니다. 0을 쓰지 말고 4 번 쓰십시오. 그것은 단순하지만 극히 비효율적 인 무차별 접근 방식입니다. Milenkovic의 연구는보다 정교한 방식으로 동일한 오류 수정을 달성하는 것입니다. 데이터 확인 방법을 제공하기 위해 패리티 검사 또는 선형 일치 검사라고하는 기술이 포함됩니다.

Milenkovic은 "전체 분야는 기본적으로 오류가 발생하면 오류를 수정하거나 더 나은 경우 오류가 발생하지 않도록 방지하는 데 도움이됩니다"라고 말합니다. "우리는 오류를 제거하기 위해 제어 중복을 도입했으며, 제어 중복은 그다지 효과적이지 않기 때문에 단순한 반복의 형태가 아닙니다."

그것이 밀렌 코비 치를 현장으로 가져 왔지만, 그녀의 연구는 DNA 합성의 막대한 비용을 낮추는 것에 관한 것입니다.

"이 주제에 대해 적극적으로 활동 한 학생 인 H. Tabatabae Yazdi는 DNA 합성을 피할 수있는 현명한 방법을 찾기 위해 정말 열심히 노력하고 있습니다. DNA 합성은 비용이 많이 들기 때문에이 기술의 병목입니다. Milenkovic은 말합니다.

Milenkovic은 아직 발표되지 않은 연구에 대해 너무 많이 밝히지 않았지만 그녀의 해결책은 "교활한 수학적 접근"과 관련이 있으며 모든 정보 사이의 간격의 크기는 의미있는 타이밍에 관한 것입니다.

"ATGC를 사용하여 특정 위치에서 이진 기호를 실제로 인코딩하려는 형식을 따르지 않으면 반복적으로 가닥을 합성 할 필요가 없기 때문에 정보를 저장하는 훨씬 영리하고 효율적인 방법을 생각 해낼 수 있습니다. Milenkovic이 설명합니다. "특정 방식으로 한 번 합성 한 다음 합성 된 DNA를 스마트 조합 방식으로 재사용 할 수 있습니다."

Milenkovic은 그녀의 연구를 통해 DNA 합성 비용을 최소 3 배 이상 줄이려고합니다. 여전히 충분하지 않다고 그녀는 지적하지만 진행 중이다. 또한 그녀가 흥미로워하는 일련의 연구에 기여하고 있습니다.

밀렌 코비 치는“정직하고 신을 플레이하고 자신의 정보를 DNA로 인코딩하는 것은 매우 흥미 롭다”고 말했다. "그것은 당신이 선택한 자연의 분자로 놀고 있다는 것을 알고 흥분을 느끼게하고 미래에 정보를 저장하고 인코딩하고 전달하고자하는 것을하게한다."

현금으로 - 어느 날이든

DNA 저장에 관한 건전한 먼지가 많은 학술 연구는 아닙니다. 아일랜드에 본사를 둔 회사 인 Helixworks는 이미 돈을 벌기 위해 노력하고 있습니다. 아마존에는 다양한 제품이 있습니다.

이 회사의 공동 설립자 인 Nimesh Pinnamaneni는“Amazon에서 시작하여 512KB의 디지털 데이터를 DNA로 인코딩 할 수있게되었습니다. "아주 작은 것입니다. 아마도 그림이나 시일 것입니다."

특이한 구매이지만, 특히 그 사람이 과학자 인 경우 모든 것을 가진 사람에게는 완벽한 사랑의 토큰이 될 수 있습니다.

Pinnamaneni는“한 고객이 우리를 부르는 것을 기억합니다. 그는 아내를 선물하고 싶었습니다. 둘 다 생명 공학자입니다. 결혼 기념일에 아내를 선물하고 싶었습니다. 그는 DNA에 메시지를 남기고 DNA를 선물하고 싶었습니다. "그녀는 메시지를 읽으려면 DNA를 배열해야 할 것입니다. 그것은 사랑의 메시지를 보내는 상당히 복잡한 방법이지만 생명 공학자들에게는 귀엽습니다."

그러나 Helixworks는 2016 년 8 월에 주문을 이행 할 준비가되기 전에 아마존에 제품을 게시하는 것보다 약간 앞서있었습니다. Helixworks가 제품을 상장 취소하기 전에 두 사람이 회사의 $ 199 DNADrive (DNA 클러스터가 내장 된 14 캐럿 금 캡슐)를 구입했습니다. DNADrive는 여전히 아마존에 있지만 구매할 수는 없습니다.

그것은 Helixworks가 끝났다는 것을 의미하지는 않습니다. 지금 그만두 기엔 너무 멀어요 이 회사는 스웨덴 보라스 대학에서 시작했으며, 이 회사의 공동 설립자 인 Pinnamaneni (오른쪽 그림)와 생명 공학 석사 학위를받은 Sachin Chalapati (오른쪽)가있었습니다. 그들은 DNA 저장 연구를위한 기금을 모으고 인도 방갈로르에서 집으로 돌아간 후 개념 증명을 개발했습니다.

추가 자금을 마련하기 위해 캘리포니아 샌프란시스코에있는 벤처 캐피탈 회사 인 SOSV가 운영하는 IndieBio 액셀러레이터 프로그램에 자금을 투입했습니다. Helixworks는이 프로그램에 의해 선정되었으며 현금으로 5 만 달러를 받았으며 지난 6 개월 동안 카운티 코크의 실험실에서 일할 수있는 능력을 갖추고있었습니다. 이 프로그램에는 Helixworks가 올해 남서부에서 남서부 페스티벌에서 사용할 제품을 투구하는 멘토링이 포함되며, 이 행사에서 투구 이벤트에 참가합니다.

Pinnamaneni는 황금 DNA 캡슐을 생산하는 것이 결국 유리한 부업이 될 수 있지만 그의 회사의 미래는 현재 개발중인 소형 가정용 및 사무용 DNA 프린터에 있다고 말했다. 그는 누구나 쉽게 사용할 수 있도록 DNA 저장을 쉽고 저렴하게 만들고 싶어합니다.

Pinnamaneni는“프린터에 카트리지처럼 작동하는 것이 필요하다는 것을 알았습니다. "네 가지 색상 만 있고이 네 가지 색상을 결합하여 가능한 모든 색상을 만들 수 있습니다. 이것이 바로 잉크 프린터의 작동 방식입니다. 우리 시스템에서 이와 같은 것을 갖추어야한다는 것을 알아 냈습니다. 우리는 32 가지 시약 카트리지를 설계했습니다. "가능한 모든 DNA 서열을 형성하기 위해 결합 될 수 있습니다."

다른 실험실은 DNA 합성이 필요할 때마다 약 30, 000 달러를 지불하는 반면, 달성하는 데 몇 주가 걸리는 작업 인 Pinnamaneni는 그의 발명이 비용과 시간을 크게 줄일 수 있다고 말합니다. Helixworks는 자동화 된 실험실 장비를 만드는 회사 인 Opentrons와 협력하여 프린터를 만들고 있습니다. 그것이 SXSW에서 던질 것입니다.

피나 마네 니는“박람회에서 시연 할 것은 눈앞에서 DNA를 쓰는 것”이라고 말했다.

회사는 아직 주문을받지 않을 것입니다. 낭만적 인 생명 공학자는 여전히 기념일 선물을 기다리고 있기 때문에 좋습니다.