Fuldstændig funktionel DNA-baseret datalagring mulig med nylig præstation

I dagens hyperdigitale verden er alle virksomheder afhængige af data. Mængden af forretningsdata vokser hurtigt, især med fremkomsten af avancerede teknologier som dataanalyse, Internet of Things (IoT), og AI, som begge genererer og bruger enorme datamængder.

Disse data er potentielt vigtige, og det er kritisk, nu mere end nogensinde, at sikre dem på en effektiv, pålidelig og sikker måde. For at lagre data har du brug for lagringsløsninger, der effektivt kan få adgang til, organisere, administrere, dele og bruge vigtig information.

Selvom din computer har lagringskapacitet, er den begrænset og gemt på en enhed, så den kun kan bruges, mens enheden er tændt, og forbliver der indtil den slettes. For at gemme dine data på lang sigt har du brug for datalagringsløsninger.

Lagringsenhederne er hovedsageligt opdelt i to grupper:

• Direkte områdelagring (DAS)
• Netværksbaseret lagring

DAS er direkte forbundet til den computer, der får adgang til den, og selvom den kan levere anstændige lokale backup-tjenester, er deling ret begrænset. Enheder i denne kategori omfatter disketter, flash-drev og optiske diske såsom CD’er og DVD’er. 

Netværksbaseret lagring er nu den bedste mulighed til datadeling og samarbejde, da den tillader flere computere at få adgang til data via et netværk. Netværksbaserede lagringsopsætninger er primært af to typer: netværkstilknyttet lagring (NAS) og lagringsområde netværk (SAN). 

NAS involverer en enhed, der er forbundet til et netværk. Her foretages datalagring og -hentning fra en centraliseret placering. Denne prisvenlige netværkslagringsmulighed gør det muligt for flere brugere at gemme og dele filer over et TCP/IP-netværk via Wi-Fi eller et kabel.

SAN er et specialiseret, højhastighedsnetværk, der forbinder delte puljer af lagringsenheder til flere servere. Det involverer flere enheder af forskellige typer, som omfatter:

En solid-state-disk (SSD) er en type harddisk, der er hurtigere end traditionelle, som bruger flashhukommelse og flash-drev, som er elektroniske muligheder, hvor data kan opdateres ved slette- eller skriveoperationer. Hybridlagring involverer derimod en blanding af forskellige lagringstyper: flashlagring, SSD’er og mekaniske harddiske (HDD’er).

Cloud-lagring er en anden omkostningseffektiv og skalerbar metode, fordi data gemmes virtuelt og derfor kræver adgang til internettet eller et privat netværk. Hybrid cloud-lagring bruger forskellige skyer – offentlige, private og hybride – til forskellige arbejdsbelastninger. 

Udvikling af ny teknologi til at lagre digitale data mere effektivt 

På trods af alle disse muligheder søger verden mere effektive løsninger i lyset af et digitalt univers, der forventes at tilføje omkring 175 zettabyte data årligt inden 2025. En voksende gruppe forskere går nu ind for DNA som en stabil og bæredygtig mulighed for at imødekomme dette behov.

DNA bliver allerede udforsket til datalagring, selvom det stadig er i sine tidlige faser, med en markedstørrelse på kun $70 millioner. Det anslås dog at vokse med en CAGR på over 80 % inden 2032.

DNA-datalagring er præcis, hvad det siger: lagring af digitale data i DNA (deoxyribonukleinsyre), molekylet der bærer genetisk information for en organismes udvikling og funktion.

For at skabe DNA kombineres fire forskellige nukleotider – Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) og Thymin (T) – til en dobbelt helixstruktur, hvor to sammenkoblede strenge vikles omkring hinanden.

Når data lagres i DNA, kodes de binære data i syntetiserede DNA-strenge og afkodes derefter fra dem. DNA er kendt for at være stabilt, tæt og have evnen til at holde i lang tid. Disse egenskaber gør DNA til et attraktivt lagringsmedium.

“Syntetisk DNA har potentialet til at lagre størrelsesordener mere data end nutidens enheder, og på en måde der lover at være meget mere bæredygtig.”

– Karin Strauss, Senior Principal Research Manager hos Microsoft Research

Udover lagring af data er DNA også blevet udforsket til beregning. I mange årtier har DNA-beregning været genstand for forskning og udvikling på grund af fordele som skalerbarhed, holdbarhed og energieffektivitet, blandt andet.

Tilbage i 2019 afslørede forskere fra Microsoft og University of Washington det første fuldt automatiserede system til lagring og hentning af data ved brug af syntetisk DNA. Dette involverede kodning af ‘hello’ i molekylerne af syntetisk DNA fremstillet i laboratoriet og derefter konvertering tilbage.

Seneste gennembrud inden for molekylær beregning antyder, at vi måske endda kan køre hele computernetværk inde i levende celler i den nærmeste fremtid. Selvom DNA-lagring faktisk har eksisteret i et stykke tid, viser den nye undersøgelse den første funktionelle molekylære computer, der er i stand til både lagring og beregning via DNA i stedet for elektricitet.

Tidligere i år fandt ingeniører ved University of Minnesota og Rochester Institute of Technology (RIT) en måde at behandle data lagret i DNA på. Denne “mikrofluidiske integrerede kredsløb” er designet til at fungere via kunstige neurale netværksberegninger på data lagret i DNA. Ifølge papirets medforfatter Amlan Ganguly:

“Vi er i en æra med big data, der skal lagres et sted.”

Han bemærkede også, at opbygning af flere datacentre ikke er svaret, fordi hvert enkelt kræver konstruktion, vedligeholdelse og drift, hvilket ikke er bæredygtigt.

Denne undersøgelse foreslog at repræsentere tal gennem koncentrationerne af opløsninger, der indeholder specifikt manipulerede DNA-molekyler. Denne manipulation ville repræsentere beregningsoperationer såsom addition, multiplikation og andre ikke-lineære funktioner, der er essentielle for at udføre netværksberegninger.

For et par år siden demonstrerede Mark Bathe, en MIT-professor i biologisk ingeniørkunst, og hans kolleger også en metode til at udvælge den ønskede fil fra en blanding af mange DNA-stykker. For at gøre dette indkapslede forskerne hver datafil i en 6 μm silikonepartikel, mærket med korte DNA-sekvenser, der afslører indholdet.

Kilde: MIT News

Når man diskuterer DNA’s enorme potentiale til at imødekomme de stigende krav om at lagre massive mængder data, bemærkede Bathe dens fascinerende egenskab ved ikke at forbruge energi, når DNA-polymeren er skabt. Man skriver blot DNA’et og lagrer det på ubestemt tid.

Forskere har endda foreslået at bruge DNA’s stabilitet og holdbarhed til at kode digitale data for at sikre og beskytte digitale aktiver.

Flere forskere og organisationer undersøger DNA’s potentiale for lagring af data og beregning. Det globale marked for datalagring ligger i øjeblikket på $217 mia og forventes at nå imponerende $777,98 mia inden udgangen af dette årti.

DNA-baseret beregningsgennembrud revolutionerer datalagring

I den seneste undersøgelse, offentliggjort i Nature, demonstrerede forskere fra Johns Hopkins University og North Carolina State University en teknologi med datalagrings- og beregningsfunktioner ved brug af DNA i stedet for elektronik.

Denne teknologi kan gentagne gange lagre, hente, beregne, slette eller omskrive data. Mens tidligere DNA-lagrings- og beregningsteknologier har kunnet udføre nogle af disse opgaver, kunne de ikke fuldføre dem alle.

“I konventionelle beregningsteknologier tager vi for givet, at måderne hvorpå data lagres, og måderne hvorpå data behandles, er kompatible med hinanden.”

– Albert Keung, studielederen og lektor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved NC State

Han tilføjede også:

“Men i virkeligheden udføres datalagring og databehandling i separate dele af computeren, og moderne computere er et netværk af komplekse teknologier.”

Da DNA-baseret data lagres i form af nukleinsyrer, har DNA-beregning kæmpet med, hvordan man skal lagre, hente og beregne det.

Det, der gør elektronisk beregning attraktivt, er at alle komponenterne i en enhed er kompatible. Men med DNA-datalagring er det ikke tilfældet. Selvom DNA-baseret datalagring tilbyder langsigtede fordele, menes det, at udviklingen af en DNA-teknologi, der kan dække hele spektret af operationer, som findes i traditionelle elektroniske enheder, enten vil være vanskelig eller umulig at opnå.

Nu viser den seneste undersøgelse, at disse DNA-baserede teknologier faktisk er “levedygtige, fordi vi har lavet én.”

Dette blev opnået med hjælp fra nyere teknikker, der har gjort det muligt at skabe bløde polymermaterialer med unikke morfologier. Ifølge medforfatteren af papiret, Orlin Velev:

“Specifikt har vi skabt polymerstrukturer, som vi kalder dendricolloider – de starter på mikroskalaen men forgrener sig fra hinanden på en hierarkisk måde for at skabe et netværk af nanoskalafibre.”

I 2019 viste forskning fra North Carolina State University, at forskellige polymerer, der udfældes fra opløsninger under særlige betingelser, kan skabe unikke, bløde dendritiske partikelmaterialer med særskilte klæbeegenskaber (som gekko-fødder, der gør dem i stand til at klæbe til næsten enhver overflade) og strukturbildende egenskaber.

På det tidspunkt delte Velev brugen af ‘flydende’ nanofremstilling til at omdanne polymerer til forgrenede partikler efter at have opløst polymeren og hurtigt blandet opløsningen med en anden væske. Denne hurtige blanding i turbulent strøm, en iboende kaotisk proces, skabte forgrenede partikler i hierarkiske strukturer.

NC State indleverede også et patent på de bløde dendritiske materialer samt processen til at skabe dem.

Nu, for DNA-lagringsløsningens undersøgelse, har den struktur, de har skabt, et stort overfladeareal, hvilket gør det muligt for forskerne at deponere DNA blandt nanofibrillerne. Dette blev opnået uden at gå på kompromis med datatætheden, hvilket gør DNA attraktivt til datalagring.

“Du kunne lægge data svarende til tusind bærbare computere i DNA-baseret lagring, som er på samme størrelse som en blyantviskelæder.”

– Keung

Papirets første forfatter, Kevin Lin, en tidligere Ph.D.-studerende ved NC State, udtalte, at evnen til at skelne mellem DNA-information og de nanofibre, den er lagret på, muliggør udførelse af mange af de samme funktioner, som man kan med elektroniske enheder.

Ifølge ham kan DNA-informationen kopieres direkte fra materialets overflade uden at skade selve DNA’et. Ud over evnen til at slette målrettede DNA-stykker og derefter omskrive dem på samme overflade, fandt undersøgelsen, at deponering af DNA på dendricolloid-materialet faktisk hjalp med at bevare DNA’et.

Velev bemærkede, at med undersøgelsen leverer de “det ækvivalente af mikrokretskort,” og det dendricolloide materiale fungerer som kredsløbskortet.

Denne nye DNA-baserede lagrings- og beregningsteknologi, kaldet en “primitiv DNA-lager- og beregningsmotor,” er også i stand til at løse simple sudoku- og 3 × 3-skakopgaver. Testning antyder, at teknologien kan lagre data sikkert i tusinder af år. Derudover er “det dendrokolloidale værtsmateriale i sig selv relativt billigt og let at fremstille,” ifølge Velev.

Virksomheder involveret i DNA-datalagring og -beregning 

I betragtning af dataens betydning og behovet for mere effektive løsninger undersøger flere virksomheder DNA-datalagring, beregning og molekylære teknologier. For eksempel leverer Thermo Fisher Scientific (TMO) omfattende løsninger til DNA-sekventering og molekylær biologi, mens Agilent Technologies (A) fokuserer på DNA-baserede teknologier, og Pacific Biosciences of California (PACB) specialiserer sig i langlæsningssekventeringsteknologi. Derudover er der Helixworks Technologies, som har skabt programmerbart DNA-datalagringsmateriale til at kode datafiler eller små applikationer direkte ind i et objekts molekylære struktur.

Nu vil vi se nærmere på to fremtrædende navne inden for dette område. Begge disse virksomheder, sammen med Microsoft, Western Digital og flere andre medlemsinstitutioner, dannede DNA Data Storage Alliance. Alliancen har til formål at imødekomme den digitale datavækst ved at levere en omkostningseffektiv, bæredygtig arkiveringsløsning ved brug af DNA og udforske dens tidlige kommercialisering.

#1. Twist Bioscience Corporation 

Dette firma specialiserer sig i syntetisk DNA og fokuserer stærkt på DNA-datalagringsteknologier. Med en markedsværdi på $2,57 milliarder handles Twist Biosciences aktier i øjeblikket til $43,98, op 19,32 % år‑til‑dato. Dets EPS (TTM) er -3,81, og dets P/E (TTM) er -11,53.

For 2. kvartal 2024 rapporterede virksomheden en omsætning på $75,3 millioner, hvilket er en stigning på 25 % i forhold til samme kvartal sidste år. Bruttomarginen steg også til 41 % sammenlignet med 31 %. I mellemtiden blev omkring 193.000 gener sendt i perioden. $293,3 millioner blev rapporteret i kontanter, kontantekvivalenter og kortfristede investeringer.

“Vi forbliver standhaftige og fokuserede på vores vej mod rentabilitet.”

– CEO og medstifter Emily M. Leproust, Ph.D.

#2. Illumina

Dette firma er en førende inden for sekventering og array-baserede løsninger, som er essentielle for DNA-databehandling og -lagring. Med en markedsværdi på $20,77 milliarder handles Illuminas aktier i øjeblikket til $130,42, ned 6,33 % år‑til‑dato. Dets EPS (TTM) er -19,18, og dets P/E (TTM) er -6,80.

For 2. kvartal 2024 rapporterede virksomheden en omsætning på $1,09 milliarder, ned 6 % fra 2Q23. Dens GAAP-driftmargin var 40,5 %, og dens non-GAAP-driftmargin var 22,2 %. Ved kvartalets afslutning var $994 millioner holdt i kontanter, kontantekvivalenter og kortfristede investeringer.

“Illumina-teamet leverede resultater foran vores forventninger i kvartalet, drevet af disciplineret udførelse af vores strategiske prioriteter.”

– CEO Jacob Thaysen

Konklusion

Den voksende digitalisering af verden betyder, at digitale data er på vej til eksponentiel vækst. Denne datatilsætning vil langt overstige kapaciteten i eksisterende lagringsteknologi, hvilket driver behovet for at udforske og adoptere nye løsninger som DNA-lagring.

Som den nye undersøgelse demonstrerede, gør løbende gennembrud det muligt at opnå en komplet række af datalagrings- og beregningsfunktioner. Disse operationer omfatter lagring af data, flytning af data samt evnen til at læse, omskrive, slette, genindlæse eller beregne specifikke datafiler – alt sammen på programmerbare og gentagelige måder uden at nedbryde DNA’et.

DNA, et bemærkelsesværdigt molekyle, der findes i hver levende celle, tilbyder ekstremt høj tæthed, hvilket gør det til den perfekte langsigtede lagringsløsning (ikke kun i hundredevis men i tusinder af år). Dette peger på dets enorme potentiale til at transformere lagrings- og beregningsverdenen.

Klik her for at lære, hvordan manipulation af en diamants farvecentre kan transformere datalagring.