Vores afhængighed af gadgets skaber en hidtil uset mængde data. Mennesker producerer svimlende 16 zettabyte hvert år, hvilket svarer til en milliard terabyte (hvis du undrede dig). Og sidste år forskningsgruppen IDC forudsagde, at vi vil skabe mere end 160 zettabyte om året i 2025.
Moderne computere og siliciumchips har tjent os godt, men med alle disse data får vi snart brug for mere, end de kan tilbyde. Hurtigere. Større. Bedre. Forskere leder efter den næste store ting, og et af de potentielle nye materialer er ret overraskende: deoxyribonukleinsyre, forkortet DNA.
Bedre opbevaring
Forskere har længe vidst, at DNA kan bruges til datalagring. I 1961 talte Richard Feynman om potentialet for submikroskopiske computere, og det første forsøg på at bruge DNA til dette formål kom i 1994 med Leonard Adleman. Vores genetiske kode er på mange måder et perfekt match til en computer. Når alt kommer til alt, gemmer den planen for at lave ethvert levende væsen på denne planet. Som en bonus overføres det fra den ene generation til den næste med utrolig pålidelighed gentagne gange, hvor mange af generne i dag forbliver stort set uændrede i utallige generationer. Og hvis du mener, at DNA er skrøbeligt og sart, så tro om igen. DNA er utroligt sejt og langtidsholdbart, og hvis det opbevares under de rigtige forhold, vil det forblive intakt i millioner af år.
Det er derfor ikke nogen stor overraskelse, at forskere arbejder på at omdanne DNA til computerlagring. DNA kan behandles som en standard lagringsenhed: den binære kode kommer fra brug af baserne thymin (T), guanin (G), adenin (A) og cytosin (C) til at repræsentere 1'er (T og G) og 0'er (A og C). Forskere har allerede presset en fransk film fra 1896, en computervirus, et Amazon-gavekort på $50, Shakespeares digte, et klip af Martin Luther Kings "I have a dream"-tale og Watson og Cricks værk, der beskriver DNA-strukturen ind i selve DNA bl.a.
https://youtube.com/watch? v=b9MoAQJFn_8
(L'Arrivée d'un train en gare de La Ciotat, af Lumière-brødrene, er blevet kodet ind i DNA)
Men at "gemme" og "åbne" filer, der er gemt i DNA-hukommelsen, fungerer ikke nøjagtigt på en måde, vi genkender. Faktisk er det en skrivebeskyttet proces i øjeblikket, og oplysningerne skal tilgås som en helhed, ikke i sektioner. Hvis de nuværende computere var sådan, ville du ikke være i stand til at gemme nye data og skulle åbne alle filerne i en mappe på én gang.
På trods af vanskelighederne med at omdanne disse tidlige teknikker til et brugbart system, er interessen for dette område vokset i løbet af de sidste par år. Tilbage i 2012, Alphr rapporterede nogle af de første forsøg på at gå ud over blot at kode data ind i DNA. Forskere fra Stanford University skrev og omskrev med succes en bit data til bakterielt DNA. Deres mål er nu at øge fra en enkelt bit til otte bit – en byte – programmerbar genetisk datalagring.
I de mellemliggende år, forskere ved University of Illinois tog dette et skridt videre og kodede Wikipedia-siderne fra seks amerikanske universiteter, før det lykkedes at finde og redigere dele af teksten fra tre af disse institutioner i DNA'et. I dette tilfælde "password-beskyttede" forskerne hver blok af information med en bestemt kode, for at gøre det nemmere at markere sektionerne for at finde.
Se relateret
Fortsætter med det samme mål at finde og redigere specifikke sektioner, den seneste udvikling kommer fra en internationalt samarbejde mellem universiteter i Italien, Sverige og Irland, hvor forskere udnytter bakterier og deres små ringe af DNA kaldet plasmider. Det er afgørende, at disse mikroorganismer "bytter" plasmider mellem sig i en proces kendt som konjugation.
Ideen er at "gemme" data i plasmider fanget på et bestemt sted. For at "åbne" disse filer sender forskere mobile bakterier for at besøge deres fangede modparter. Efter konjugering vender de tilbage med de ønskede bidder af information. "Hvis bakterier kommer inden for hinandens rækkevidde, kan information, i form af DNA, overføres fra en donor til en modtager,” siger Alberto Giaretta, doktorand ved Örebro Universitet i Sverige og en af forfatterne til denne undersøgelse.
"Vores idé er at bygge et arkiv ved at indkode information i ikke-bevægelige bakterier [ude af stand til at drive sig selv frem, og derfor immobile]. Senere kan denne information aflæses af bevægelige bakterier, der ved at bruge et Molecular Positioning System (MPS, en slags GPS for bakterier), [vil være i stand til] at bevæge sig mod arkivet, læse informationen gennem konjugation og derefter levere sådanne oplysninger til en tredje punkt."
I overensstemmelse med traditionen genererede holdet DNA-sekvensen kodet for beskeden "Hello World", som var indsat i en gruppe af fangede bakterier og med succes hentet efter konjugation fra en gruppe af bevægelige bakterie. ”Vi brugte flere kendte teknikker, men på en anden måde og til et andet formål – en smart måde at bruge kendte molekylærbiologiske teknikker til en meget anderledes anvendelse”, tilføjer Lee Coffey og Triona Dooley-Cullinane, forskere ved Waterford Institute, Irland, som også var involveret i dette undersøgelse.
Voksende computere
Selvom dette bestemt er imponerende, er opbevaring ikke den eneste applikation til DNA i computere. Utroligt nok, har forskere ved Manchester University vist DNA kan endda "læres" til at udføre operationer.
"Nuværende computere arbejder efter princippet om at læse en kode (lagret på harddisken) og udføre en kommando (ved hjælp af hukommelsen og processoren),« forklarer kemiker Andrew Currin, en af forfatterne i dette undersøgelse. "Vores DNA-computer har samme princip, bortset fra at vores harddisk er DNA-sekvensen, og processoren er enzymet, der bruges til at kopiere DNA'et. Man kunne sagtens forestille sig, at DNA-lagring og DNA-computere ville fungere meget godt kombineret."
(En videnskabsmand sætter en DNA-prøve i real-time PCR-cycler. Kredit: Shutterstock)
Det afgørende er, at det, der adskiller DNA-computere fra vores almindelige enheder, er, at de kan "vokse". Ikke billedligt, men bogstaveligt. Når DNA udfører en kommando, replikerer det sig selv og fordobles i kapacitet. "Alt sker i et rør. Der bruges ingen levende celler, og DNA'et er helt syntetisk,” fortæller Currin. »Dna-koden genkendes af et kortere stykke DNA, som så får resten af DNA'et til at blive kopieret. Når koden er genkendt, kan den specifikt ændres for at lave en ny kommando. Dette gøres ved en proces kaldet PCR [polymerasekædereaktion], en meget brugt teknik, der bruges til at kopiere DNA."
"[Vores DNA-computer] replikerer sig selv for at følge begge veje på samme tid og dermed finde svaret hurtigere"
Konsekvenserne af denne kapacitetsforøgelse er utrolige. Hvis du forestiller dig et beregningsspørgsmål som en labyrint, tager DNA-computere en helt anden tilgang til at løse problemet sammenlignet med standardenheder. "Standard elektroniske computere, når de kommer til et T-kryds, skal vælge, hvilken vej de skal tage, mens [vores DNA-computer] ikke behøver at vælge, da den replikerer sig selv at følge begge veje på samme tid og dermed finde svaret hurtigere,” siger Philip Day, læser i syntetisk biologi og kvantitativ genomik ved University of Manchester.
Med andre ord er det som at bruge millioner af computere på samme tid til at løse problemet. "I vores DNA-computer er hver beregning repræsenteret af en enkelt DNA-streng, som giver os mulighed for at bruge mange billioner af beregninger, der sker på samme tid. Denne type DNA-baserede computere kan have enorme fordele i forhold til konventionelle computere. Vi kunne have computere, der er stærkere end alle computere i verden tilsammen, og vi kunne have dem i lommen,” forklarer Konstantin Korovin, lektor ved University of Manchester.
DNA skyer
Feltet er kommet langt siden 1994, hvor Leonard Adleman beskrev det første succesrige eksempel på en DNA-computer, men der er stadig mange udfordringer at overvinde. Alt dette arbejde er afhængig af effektiv DNA-sekventering, som, selv om den har taget store spring, siden den blev introduceret i slutningen af 1970'erne, stadig er omfangsrig og dyr. Derudover ville den slags problemer, DNA-computere kan løse lige nu, ikke være til stor nytte til at lægge et billede på Facebook eller skrive et word-dokument.
"I øjeblikket har vi en proof-of-concept implementering, men vi er nødt til at udvikle teknikkerne yderligere for at opnå potentialet. En af de tekniske udfordringer er at gøre DNA-beregninger pålidelige i stor skala og minimere antallet af fejl i beregninger,” siger Korovin.
(Koden for nukleotidbaser i DNA. Kredit: Shutterstock)
Det, der gør dette felt meget spændende, er det faktum, at store virksomheder begynder at lægge mærke til det potentiale, der er gemt i DNA. Microsoft har for nylig annonceret sin interesse for tilføjer DNA-lagring til deres cloud-system. "Interesse fra teknologiledere som Microsoft, og forskning, der udvikler sig i det tempo, som det er i øjeblikket, gør det sandsynligt, at DNA-lagring vil være en realitet versus en fantasi i de kommende år,” siger Coffey og Dooley-Cullinane.
Det vil tage noget tid, før DNA-baserede personlige computere og mobiltelefoner kommer til at eksistere – hvis de nogensinde gør det – men der er mange andre potentielle applikationer, som ikke længere er langt ude. "Vi har nogle tanker om, hvordan DNA-computere kan gøres tilgængelige, og en sådan idé er, at disse computere bliver først tilgået gennem skyen og plejede at arbejde på større beregningsproblemer,” siger University of Manchester Philip dag.
Så er der noget, din gennemsnitlige computer aldrig vil være i stand til: det er ikke så svært at Forestil dig, at DNA-computere introduceres i levende celler for at blande sig med eksisterende biologiske mekanismer. Ekstraordinære eksempler på vej er bl.a en intelligent måde at levere medicin kun, når det er nødvendigt eller a mere præcis påvisning af kræft. Hvis videnskabsmænd kan knække DNA-computere, går der måske ikke så lang tid, før grænserne mellem naturlig og kunstig programmering begynder at udviskes.
