Täysin toimiva DNA-pohjainen tietovarasto mahdollinen viimeisimmän saavutuksen avulla

Nykyisessä hyperdigitaalisessa maailmassa jokainen yritys riippuu tiedoista. Liiketoiminnan tietomäärä kasvaa nopeasti, erityisesti kehittyneiden teknologioiden, kuten data-analytiikan, esineiden internetin (IoT) ja tekoälyn, myötä, jotka sekä tuottavat että käyttävät valtavia tietomääriä.

Nämä tiedot ovat mahdollisesti tärkeitä, ja niiden turvaaminen tehokkaasti, luotettavasti ja turvallisesti on nykyään tärkeämpää kuin koskaan. Tietojen tallentamiseen tarvitset tallennusratkaisuja, jotka mahdollistavat tärkeän informaation tehokkaan käytön, järjestämisen, hallinnan, jakamisen ja hyödyntämisen.

Vaikka tietokoneellasi on tallennuskapasiteettia, se on rajoitettua ja tallentuu laitteeseen, joten sitä voi käyttää vain laitteen ollessa päällä, ja tieto säilyy siellä, kunnes se poistetaan. Pitkäaikaiseen tallennukseen tarvitset erillisiä tietovarastointiratkaisuja.

Tallennuslaitteet jaetaan pääosin kahteen ryhmään:

• Suora alueen tallennus (DAS)
• Verkkoon perustuva tallennus

DAS on suoraan tietokonelaitteeseen kytketty, ja vaikka se voi tarjota kohtuullisia paikallisia varmuuskopiointipalveluja, jakaminen on melko rajoitettua. Tähän ryhmään kuuluvat esimerkiksi levykkeet, flash-muistit ja optiset levyt kuten CD- ja DVD-levyt. 

Verkkoon perustuva tallennus on paras vaihtoehto tietojen jakamiseen ja yhteistyöhön, sillä se mahdollistaa useiden tietokoneiden pääsyn tietoihin verkon kautta. Verkkoon perustuvia tallennusratkaisuja on pääosin kahta tyyppiä: verkkoon liitetty tallennus (NAS) ja tallennusalueverkko (SAN). 

NAS tarkoittaa verkkoon kytkettyä laitetta. Tässä tiedot tallennetaan ja haetaan keskitetystä sijainnista. Tämä edullinen verkko‑tallennusvaihtoehto mahdollistaa useiden käyttäjien tallentaa ja jakaa tiedostoja TCP/IP‑verkon kautta Wi‑Fin tai kaapelin avulla.

SAN on erikoistunut, nopea verkko, joka yhdistää jaetut tallennuslaitteistopoolit useisiin palvelimiin. Se sisältää useita erilaisia laitteita, joihin kuuluvat:

Kiintolevy (SSD) on tyyppi kiintolevyä, joka on nopeampi kuin perinteiset flash‑muistia käyttävät levyt ja flash‑muistit, jotka ovat elektroniikkapohjaisia vaihtoehtoja, joissa tietoa voidaan päivittää poistamalla tai kirjoittamalla. Hybriditallennus puolestaan yhdistää erilaisia tallennustyyppejä: flash‑tallennus, SSD‑levyt ja mekaaniset kiintolevyt (HDD‑t).

Pilvitallennus on toinen kustannustehokas ja skaalautuva menetelmä, koska tiedot tallennetaan virtuaalisesti ja siten vaativat internet‑ tai yksityisverkon yhteyden. Hybridipilvitallennus käyttää erilaisia pilviä – julkisia, yksityisiä ja hybridejä – eri työkuormille. 

Uuden teknologian kehittäminen digitaalisen datan tehokkaampaan tallentamiseen 

Kaikista näistä vaihtoehdoista huolimatta maailma etsii tehokkaampia ratkaisuja digitaalisen universumin kasvavan tiedon määrän edessä, jonka odotetaan lisäävän noin 175 zettatavua dataa vuodessa vuoteen 2025 mennessä. Yhä useampi tutkija kannattaa nyt DNA:ta vakiona ja kestävänä vaihtoehtona tämän kysynnän täyttämiseksi.

DNA:ta tutkitaan jo tiedon tallennukseen, vaikka se on vielä alkuvaiheessa, ja sen markkinoiden koko on vain $70 miljoonaa. Kuitenkin sen odotetaan kasvavan yli 80 % CAGR:lla vuoteen 2032 mennessä.

DNA‑tietovarastointi on juuri sitä, mitä sen nimi kertoo: digitaalisen tiedon tallentamista DNA:han (deoksiribonukleiinihapoon), molekyyliin, joka kantaa geneettistä informaatiota organismin kehitykselle ja toiminnalle. 

DNA syntetisoidaan neljästä eri nukleotideista – adenosiini (A), sytosiini (C), guaniini (G) ja tymiini (T) – jotka yhdistyvät kaksinkertaiseksi kierteiseksi rakenteeksi, jossa kaksi toisiinsa kietoutunutta juostetta kiertävät toisiaan.

Kun data tallennetaan DNA:han, binääridata koodataan synteettisiin DNA‑juosteisiin ja puretaan sieltä. DNA tunnetaan vakaudestaan, tiheydestään ja pitkäikäisyydestään, mikä tekee siitä houkuttelevan tallennusvälineen. 

“Synteettisellä DNA:lla on potentiaalia tallentaa merkittävästi enemmän dataa kuin nykyisillä laitteilla, ja se tekee sen tavalla, joka lupaa olla paljon kestävämpää.”

– Karin Strauss, Senior Principal Research Manager at Microsoft (MSFT ) Research

Tietojen tallentamisen lisäksi DNA:ta on myös tutkittu laskentaan. Vuosikymmenten ajan DNA‑laskenta on ollut tutkimuksen ja kehityksen kohteena sen skaalautuvuuden, kestävyyden ja energiatehokkuuden takia.

Vuonna 2019 Microsoftin ja Washingtonin yliopiston tutkijat julkaisivat ensimmäisen täysin automatisoidun järjestelmän, jolla voidaan tallentaa ja hakea dataa synteettisen DNA:n avulla. Tässä koodattiin sana “hello” synteettisen DNA:n molekyyleihin laboratoriossa ja muutettiin se takaisin.

Viimeaikaiset läpimurrot molekyylilaskennassa viittaavat siihen, että voimme tulevaisuudessa jopa ajaa kokonaisia tietokoneverkkoja elävien solujen sisällä. Vaikka DNA‑tallennus on ollut olemassa jo jonkin aikaa, uusi tutkimus esittelee ensimmäisen toimivan molekyylilaskimen, joka pystyy sekä tallentamaan että laskemaan DNA:n avulla ilman sähköä.

Tänä vuonna Minnesotan yliopiston ja Rochester Institute of Technology (RIT) -laitoksen insinöörit löysivät tavan prosessoida DNA:ssa tallennettua dataa. Tämä “mikrofluidinen integroitu piiri” on suunniteltu toimimaan tekoälyverkkojen laskentojen avulla DNA:ssa tallennetulle datalle. Paperin yhteiskirjoittaja Amlan Ganguly totesi:

“Olemme suurten datamassojen aikakaudella, jotka täytyy tallentaa jonnekin.”

Hän myös huomautti, että yhä useampien datakeskusten rakentaminen ei ole ratkaisu, koska jokainen vaatii rakennus-, ylläpito- ja käyttökustannuksia, eikä se ole kestävää.

Tässä tutkimuksessa ehdotettiin numeroiden esittämistä DNA‑molekyylejä erityisesti manipuloivien liuosten konsentraatioiden avulla. Tämä manipulointi edustaisi laskentatoimintoja, kuten yhteenlaskua, kertolaskua ja muita epälineaarisia funktioita, jotka ovat olennaisia verkkolaskennassa.

Muutama vuosi sitten MIT:n biologisen tekniikan professori Mark Bathe ja hänen kollegansa näyttivät tavan poimia haluttu tiedosto DNA:n monien palasten sekoituksesta. Tämän saavuttamiseksi tutkijat kapseloivat jokaisen tiedostot 6 μm silikaanipartikkeliin, jonka päälle oli lyhyet DNA‑sekvenssit, jotka paljastivat sisällön.

Source: MIT News

Keskustellessaan DNA:n valtavasta potentiaalista täyttää massiivisten tietomäärien kasvava tarve, Bathe totesi, että DNA:n mielenkiintoinen ominaisuus on, ettei se kuluta energiaa, kun DNA‑polymeeri on kerran luotu. DNA kirjoitetaan ja säilytetään loputtomiin.

Tutkijat ovat jopa ehottaneet käyttämään DNA:n vakautta ja kestävyyttä digitaalisen datan koodaamiseen, jotta digitaaliset omaisuudet voidaan suojata ja turvata.

Yhä useammat tutkijat ja organisaatiot tutkivat DNA:n potentiaalia tiedon tallennukseen ja laskentaan. Maailmanlaajuinen tietovarastointimarkkina on tällä hetkellä $217 bln ja ennustetaan nousevan huikeaan $777,98 bln:iin tämän vuosikymmenen loppuun mennessä.

DNA-pohjainen laskentaläpimurto mullistaa tietovarastoinnin

Viimeisimmässä tutkimuksessa, julkaistuna Nature‑lehdessä, Johns Hopkinsin yliopiston ja North Carolina State Universityn tutkijat osoittivat teknologian, jolla on sekä tallennus‑ että laskentatoiminnot DNA:n avulla sähköisten komponenttien sijaan.

Tämä teknologia voi toistuvasti tallentaa, hakea, laskea, poistaa tai kirjoittaa dataa uudelleen. Vaikka aikaisemmat DNA‑tallennus‑ ja laskentateknologiat pystyivät suorittamaan joitakin näistä tehtävistä, ne eivät pystyneet toteuttamaan kaikkia.

“Perinteisissä laskentateknologioissa otamme itsestämmeselväksi, että tiedon tallennus- ja käsittelytavat ovat yhteensopivia.”

– Albert Keung, tutkimuksen johtaja ja kemian sekä biomolekyylien tekniikan apulaisprofessori NC State‑laitoksessa

Hän lisäsi:

“Mutta todellisuudessa tiedon tallennus ja tiedon käsittely tapahtuvat tietokoneen eri osissa, ja nykyaikaiset tietokoneet ovat monimutkaisten teknologioiden verkko.”

Koska DNA‑pohjainen data tallennetaan nukleiinihappon muodossa, DNA‑laskenta on kamppaillut sen tallentamisen, hakemisen ja laskemisen kanssa.

Mikä tekee sähköisestä laskennasta houkuttelevan, on se, että kaikki laitteen komponentit ovat yhteensopivia. DNA‑pohjaisessa tallennuksessa näin ei ole. Vaikka DNA‑pohjainen tallennus tarjoaa pitkäaikaisia etuja, uskotaan, että DNA‑teknologian kehittäminen, joka kattaa kaikki perinteisten elektronisten laitteiden toiminnot, olisi joko vaikeaa tai mahdotonta.

Nyt viimeisin tutkimus osoittaa, että nämä DNA‑pohjaiset teknologiat ovat itse asiassa “elinkelpoisia, koska olemme luoneet yhden.”

Tämä saavutettiin uusien tekniikoiden avulla, jotka ovat mahdollistaneet pehmeiden polymerimateriaalien luomisen ainutlaatuisilla morfologioilla. Paperin yhteiskorrespondoivan tekijän Orlin Velev mukaan:

“Olemme erityisesti luoneet polymerirakenteita, joita kutsumme dendricolloideiksi – ne alkavat mikroskaalassa, mutta haarautuvat hierarkkisesti luoden verkoston nanoskaalaisia kuituja.”

Vuonna 2019 North Carolina State Universityn tutkimus osoitti, että erilaiset polymerit, jotka saostuvat liuoksista erityisolosuhteissa, voivat muodostaa ainutlaatuisia, pehmeitä dendriittisia partikkelimateriaaleja, joilla on erityisiä tarttuvia (kuten gekon jalat) ja rakenteenrakennusominaisuuksia.

Silloin Velev käytti “nestemäistä” nanovalmistusta muuntaakseen polymerit haarautuneiksi partikeleiksi liuottamalla polymerin ja sekoittamalla liuosta nopeasti toisen nesteen kanssa. Tämä nopea sekoittaminen turbulentissa virtauksessa, luontaisesti kaoottinen prosessi, loi haarautuneita partikkkeleita hierarkkisissa rakenteissa.

NC State on myös patentoitu pehmeät dendriittiset materiaalit sekä niiden valmistusprosessi.

DNA‑tallennusratkaisun tutkimuksessa luotu rakenne omaa suuren pinta-alan, mikä mahdollistaa DNA:n tallettamisen nanokuitujen väliin. Tämä saavutettiin ilman, että data‑tiheys kärsii, mikä tekee DNA:sta houkuttelevan tietojen tallennukseen.

“Voisit sijoittaa tuhannen kannettavan tietokoneen verran dataa DNA‑pohjaiseen tallennukseen, jonka koko on yhtä suuri kuin lyijykynän pyyhekumi.”

– Keung

Paperin ensimmäinen tekijä, Kevin Lin, entinen NC State -tohtorikoulutettu, totesi, että kyky erottaa DNA‑informaatio nanokuitujen tallennusalustasta mahdollistaa monien samankaltaisten toimintojen suorittamisen kuin elektronisissa laitteissa. 

Hänen mukaansa DNA‑informaatio voidaan kopioida suoraan materiaalin pinnalta vahingoittamatta itse DNA:ta. Tietyn DNA‑kohdan poistamisen ja sen uudelleenkirjoittamisen lisäksi tutkimus havaitsi, että DNA:n tallettaminen dendricolloidimateriaalille itse asiassa auttoi säilyttämään DNA:n.

Velev totesi, että tutkimuksen myötä he “tarjoavat mikropiirien vastaavan” ja dendricolloidimateriaali toimii piirilevyksi.

Tämä uusi DNA‑pohjainen tallennus‑ ja laskentateknologia, jota kutsutaan “alkuperäiseksi DNA‑tallennus‑ ja laskenta‑moottoriksi”, pystyy myös ratkaisemaan yksinkertaisia sudoku‑ ja 3 × 3‑shakkipulmia. Testit viittaavat siihen, että teknologia voisi säilyttää dataa turvallisesti tuhansien vuosien ajan. Lisäksi “dendrocolloidal‑isäntämateriaali on suhteellisen edullinen ja helppo valmistaa,” kuten Velev totesi.

Yritykset, jotka ovat mukana DNA‑tietovarastoinnissa ja -laskennassa 

Kun otetaan huomioon tiedon merkitys ja tarve tehokkaammille ratkaisuille, useat yritykset tutkivat DNA‑tietovarastointia, -laskentaa ja molekyyliteknologioita. Esimerkiksi Thermo Fisher Scientific (TMO ) (TMO) tarjoaa kattavia ratkaisuja DNA‑sekvensointiin ja molekyylibiologiaan, kun taas Agilent Technologies (A ) (A) keskittyy DNA‑pohjaisiin teknologioihin, ja Pacific Biosciences of California (PACB ) (PACB) erikoistuu pitkän lukemisen sekvensointiteknologiaan. Lisäksi Helixworks Technologies on luonut ohjelmoitavaa DNA‑tietovarastomateriaalia, jonka avulla data‑tiedostot tai pienet sovellukset voidaan koodata suoraan kohteen molekyylirakenteeseen.

Tarkastellaan nyt tarkemmin kahta merkittävää nimeä tällä alalla. Nämä kaksi yritystä, yhdessä Microsoftin, Western Digitalin ja useiden muiden jäsenorganisaatioiden kanssa, muodostivat DNA Data Storage Alliance (DTST ) . Liiton tavoitteena on vastata digitaalisen datan kasvuun tarjoamalla edullinen, kestävä arkistointiratkaisu DNA:n avulla ja tutkia sen varhaista kaupallistamista.

#1. Twist Bioscience Corporation 

Tämä yritys on erikoistunut synteettiseen DNA:han ja keskittyy voimakkaasti DNA‑tietovarastointiteknologioihin. Yrityksen markkina‑arvo on 2,57 miljardia dollaria, ja Twist Biosciencen osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 43,98 $, nousua 19,32 % vuodesta alkaen. Sen EPS (TTM) on -3,81, ja P/E (TTM) on -11,53.

Vuodelle 2024 Q2 yritys raportoi liikevaihdoksi 75,3 miljoonaa dollaria, mikä on 25 % kasvu edellisvuoden vastaavasta kvartaalista. Myyntikate nousi 41 %:iin 31 %:iin verrattuna. Samaan aikaan noin 193 000 geeniä lähetettiin kyseisenä ajanjaksona. 293,3 miljoonaa dollaria raportoitiin käteisvarana, käteisenä vastaavina ja lyhytaikaisina sijoituksina.

“Pysymme vakaana ja keskittyneenä kohti kannattavuutta.”

– Toimitusjohtaja ja perustaja Emily M. Leproust, Ph.D.

#2. Illumina

Illumina on johtava sekvensointi- ja taulukkopohjaisten ratkaisujen tarjoaja, jotka ovat olennaisia DNA‑datan prosessoinnissa ja tallennuksessa. Yrityksen markkina‑arvo on 20,77 miljardia dollaria, ja Illumina‑osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 130,42 $, laskua 6,33 % vuodesta alkaen. Sen EPS (TTM) on -19,18, ja P/E (TTM) on -6,80.

Vuodelle 2024 Q2 yritys raportoi liikevaihdoksi 1,09 miljardia dollaria, 6 % lasku 2Q23:een verrattuna. GAAP‑toimintamarginaali oli 40,5 %, ja non‑GAAP‑toimintamarginaali 22,2 %. Kvartaalin lopussa käteisvaroja, käteisenä vastaavia ja lyhytaikaisia sijoituksia oli 994 miljoonaa dollaria.

“Illumina‑tiimi toimitti tuloksia odotuksiamme paremmiksi kvartaalissa, kiitos kurinalaisen toteutuksen strategisissa prioriteeteissamme.”

– Toimitusjohtaja Jacob Thaysen

Yhteenveto

Maailman digitalisoitumisen kasvaessa digitaalinen data on valmis eksponentiaaliseen kasvuun. Tämä datan räjähdys ylittää merkittävästi nykyisten tallennusteknologioiden kapasiteetin, mikä lisää tarvetta tutkia ja omaksua uusia ratkaisuja, kuten DNA‑tallennusta.

Kuten uusi tutkimus osoitti, jatkuvat läpimurrot tekevät mahdolliseksi täyden sarjan tallennus‑ ja laskentatoimintoja. Näihin toimintoihin kuuluvat datan tallentaminen, siirtäminen sekä kyky lukea, kirjoittaa uudelleen, poistaa, ladata uudelleen tai laskea tiettyjä tiedostoja – kaikki ohjelmoitavissa ja toistettavissa ilman, että DNA vahingoittuu.

DNA, merkittävä molekyyli, joka löytyy jokaisesta elävästä solusta, tarjoaa äärimmäisen korkean tiheyden, mikä tekee siitä täydellisen pitkäaikaisen tallennusratkaisun (ei vain sadoille vaan tuhansille vuosille). Tämä osoittaa sen valtavan potentiaalin muuttaa tallennuksen ja laskennan maailmaa.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten timantin värikeskusten manipulointi voisi mullistaa datan tallennuksen.