Fullt funksjonell DNA-basert datalagring mulig med nylig prestasjon

I dagens hyperdigitale verden er alle virksomheter avhengige av data. Mengden forretningsdata vokser raskt, spesielt med fremveksten av avanserte teknologier som dataanalyse, tingenes internett (IoT) og kunstig intelligens, som både genererer og bruker store datamengder.

Disse dataene er potensielt viktige, og det er kritisk, nå mer enn noen gang, å sikre dem på en effektiv, pålitelig og trygg måte. For å lagre data trenger du lagringsløsninger som effektivt kan få tilgang til, organisere, administrere, dele og bruke viktig informasjon.

Datamaskinens lokale lagring har begrenset kapasitet og er knyttet til en bestemt enhet. Data på vanlige lagringsdisker bevares også når strømmen er slått av, men langsiktig bevaring krever sikkerhetskopiering og vedlikehold.

Lagringsenhetene er hovedsakelig delt inn i to grupper:

• Direktetilkoblet lagring (DAS)
• Nettverksbasert lagring

DAS er direkte koblet til den datamaskinen som får tilgang til den, og selv om den kan tilby anstendige lokale sikkerhetskopieringstjenester, er deling ganske begrenset. Enheter i denne kategorien inkluderer disketter, flash‑drives og optiske plater som CD‑er og DVD‑er. 

Nå er nettverksbasert lagring det alternativet som best brukes for datadeling og samarbeid, siden det tillater flere datamaskiner å få tilgang til data via et nettverk. Nettverksbaserte lagringsoppsett er primært av to typer: nettverkstilkoblet lagring (NAS) og lagringsområde‑nettverk (SAN). 

NAS innebærer en enhet koblet til et nettverk. Her blir datalagring og gjenfinning gjort fra et sentralisert sted. Dette rimelige nettverkslagringsalternativet gjør det mulig for flere brukere å lagre og dele filer over et TCP/IP‑nettverk via Wi‑Fi eller en kabel.

SAN er et spesialisert, høyhastighetsnettverk som kobler delte lagringsbassenger til flere servere. Det involverer flere enheter av ulike typer, som inkluderer:

En SSD er en lagringsenhet uten bevegelige deler, vanligvis basert på flashminne. Den kan være raskere enn en mekanisk harddisk. Flashminne kan slettes og skrives på nytt. Hybridlagring kombinerer flere lagringsteknologier: flash‑lagring, SSD‑er og mekaniske harddisker (HDD‑er).

Skylagring er en annen kostnadseffektiv og skalerbar metode fordi data lagres virtuelt og dermed krever tilgang til Internett eller et privat nettverk. Hybrid‑skylagring bruker ulike skyer – offentlige, private og hybride – for ulike arbeidsbelastninger. 

Utvikling av ny teknologi for å lagre digitale data mer effektivt 

Til tross for alle disse alternativene søker verden mer effektive løsninger i møte med et digitalt univers som forventes å legge til omtrent 175 zettabyte data årlig innen 2025. En voksende gruppe forskere argumenterer nå for DNA som et stabilt og bærekraftig alternativ for å møte dette behovet.

Allerede nå blir DNA utforsket for datalagring, selv om det fortsatt er i sine tidlige faser, med en markedsstørrelse på kun $70 millioner. Det er imidlertid anslått å vokse med en CAGR på mer enn 80 % innen 2032.

DNA‑datlagring er akkurat det navnet sier: lagring av digitale data i DNA (deoksyribonukleinsyre), molekylet som bærer genetisk informasjon for en organismes utvikling og funksjon. 

For å lage DNA kombineres fire forskjellige nukleotider—Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) og Tymin (T)—for å danne en dobbel heliksstruktur, hvor to sammenkoblede tråder vikles rundt hverandre.

Når data lagres i DNA, blir de binære dataene kodet i syntetiserte DNA‑strenger og deretter dekodet fra dem. DNA er kjent for å være stabilt, tett og i stand til å vare lenge. Disse egenskapene gjør DNA til et attraktivt lagringsmedium. 

“Syntetisk DNA har potensial til å lagre flere størrelsesordener mer data enn dagens enheter, og på en måte som lover å bli mye mer bærekraftig.”

– Karin Strauss, seniorforskningsleder ved Microsoft (MSFT ) Research

I tillegg til lagring har DNA også blitt utforsket for databehandling. I flere tiår har DNA‑databehandling vært gjenstand for forskning og utvikling på grunn av fordelene med skalerbarhet, holdbarhet og energieffektivitet, blant annet.

I 2019 presenterte forskere fra Microsoft og University of Washington det første helautomatiske systemet for å lagre og hente data ved hjelp av syntetisk DNA. De kodet ordet «hello» i DNA-molekyler fremstilt i laboratoriet og leste det deretter tilbake.

Nye fremskritt innen molekylær databehandling viser hvordan DNA kan brukes både til lagring og til enkelte beregninger. Det betyr ikke at hele datanettverk inne i levende celler er nært forestående. Studien som omtales her demonstrerer et laboratoriebasert system som kombinerer flere slike funksjoner.

Tidligere i 2024 fant ingeniører ved University of Minnesota og Rochester Institute of Technology (RIT) en metode for å behandle data lagret i DNA. Den foreslåtte mikrofluidiske integrerte kretsen bruker DNA-baserte representasjoner til beregninger inspirert av kunstige nevrale nettverk. Medforfatter Amlan Ganguly uttalte:

«Vi lever i en tid med store datamengder som må lagres et sted.»

Han påpekte også at stadig flere datasentre krever bygging, vedlikehold og drift, og derfor ikke alene løser bærekraftsutfordringen.

Studien foreslo å representere tall gjennom konsentrasjoner av løsninger med spesielt tilpassede DNA-molekyler. Operasjoner på disse løsningene kan representere addisjon, multiplikasjon og andre funksjoner som trengs i nettverksberegninger.

I 2021 viste Mark Bathe, professor i biologisk ingeniørvitenskap ved MIT, og kollegene en metode for å hente en bestemt fil fra en blanding av mange DNA-filer. Hver fil ble kapslet inn i en silikapartikkel på 6 µm og merket med korte DNA-sekvenser som beskriver innholdet.

Kilde: MIT News

Bathe fremhevet at DNA kan lagres uten kontinuerlig energitilførsel etter at polymeren er fremstilt. Skriving og lesing krever likevel energi, og holdbarheten avhenger av lagringsforholdene; dataene varer ikke nødvendigvis uendelig.

Forskere har også foreslått å bruke DNA til å kode digitale data og beskytte digitale verdier ved å utnytte materialets stabilitet og holdbarhet.

Stadig flere forskere og organisasjoner undersøker DNA som medium for lagring og databehandling. Artikkelen anslår det globale datalagringsmarkedet til 217 milliarder dollar og viser til en prognose på 777,98 milliarder dollar ved utgangen av tiåret.

Fremskritt innen DNA-basert lagring og databehandling

I en nyere studie, publisert i Nature Nanotechnology, demonstrerte forskere fra Johns Hopkins University og North Carolina State University et system som bruker DNA til både lagring og beregninger.

Systemet kan gjentatte ganger lagre, hente, behandle, slette og skrive data på nytt. Tidligere teknologier hadde demonstrert enkelte av disse oppgavene, men ikke den samme kombinasjonen i ett programmerbart system.

«I vanlig datateknologi tar vi for gitt at måten data lagres og behandles på, er kompatible med hverandre.»

– Albert Keung, forskningsleder og førsteamanuensis i kjemisk og biomolekylær ingeniørvitenskap ved NC State

Han la til:

«Men i praksis foregår lagring og behandling i forskjellige deler av datamaskinen, og moderne datamaskiner er et nettverk av komplekse teknologier.»

I DNA-baserte systemer er informasjonen kodet i nukleinsyrer. Å kombinere lagring, gjenfinning og beregninger på en praktisk måte har vært en sentral utfordring.

Elektroniske datamaskiner har komponenter som er utviklet for å fungere sammen. DNA-baserte systemer har ikke hatt den samme etablerte infrastrukturen. Derfor har det vært vanskelig å samle mange operasjoner i ett system, til tross for DNA-ets potensial for langtidslagring.

Den nye studien viser en fungerende laboratoriedemonstrasjon av denne kombinasjonen av operasjoner.

Resultatet bygger på teknikker for å fremstille myke polymermaterialer med spesielle strukturer. Medkorresponderende forfatter Orlin Velev forklarte:

«Vi har laget polymerstrukturer som vi kaller dendrikolloider. De begynner på mikrometerskala og forgrener seg hierarkisk til et nettverk av fibre på nanometerskala.»

I 2019 viste forskning ved NC State at polymerer som felles ut av løsninger under bestemte forhold, kan danne myke, forgrenede partikler. Disse har spesielle klebeegenskaper og kan bygge strukturer, med egenskaper som ble sammenlignet med gekkoføtter.

Velev beskrev hvordan oppløste polymerer blandes raskt med en annen væske. Den turbulente strømningen skaper forgrenede partikler med hierarkiske strukturer.

NC State søkte også patent på de myke, forgrenede materialene og fremstillingsprosessen.

I den nye DNA-studien gir materialets store overflate plass til DNA mellom nanofibrene. Dette ble oppnådd samtidig som høy lagringstetthet ble bevart.

«En DNA-basert lagringsenhet på størrelse med et viskelær kan romme datamengden fra tusen bærbare datamaskiner.»

– Keung

Førsteforfatter Kevin Lin, tidligere doktorgradsstudent ved NC State, forklarte at skillet mellom DNA-informasjonen og fibermaterialet gjør det mulig å utføre flere funksjoner som minner om dem i elektroniske enheter.

Informasjonen kan kopieres fra materialets overflate uten å ødelegge DNA-et. Utvalgte DNA-filer kan også slettes og skrives på nytt på samme overflate. Materialet bidro dessuten til å bevare DNA-et.

Velev sammenlignet systemets funksjon med mikrokretser og dendrikolloidmaterialet med et kretskort.

Systemet, kalt en «primordial DNA store and compute engine», løste enkle sudokuoppgaver og forenklede sjakkoppgaver på et 3 × 3-brett. Tester med akselerert aldring antyder lang holdbarhet, men dette er fremskrivninger og ikke observasjoner over tusenvis av år. Velev opplyste dessuten at bærematerialet er forholdsvis rimelig og enkelt å fremstille.

Selskaper involvert i DNA-datalagring og -databehandling 

Behovet for bedre datalagring har ført til at flere selskaper undersøker DNA og molekylære teknologier. Thermo Fisher Scientific (TMO ) (TMO) tilbyr DNA-sekvensering og molekylærbiologiske løsninger. Agilent Technologies (A ) (A) arbeider med DNA-baserte teknologier, mens Pacific Biosciences of California (PACB ) (PACB) spesialiserer seg på langlesningssekvensering. Helixworks Technologies har utviklet programmerbart DNA-lagringsmateriale for å kode data i molekylstrukturen til en gjenstand.

Nedenfor ser vi nærmere på to selskaper. Sammen med Microsoft, Western Digital (WDC ) og andre organisasjoner var de med på å etablere DNA Data Storage Alliance . Alliansen undersøker rimelig og bærekraftig arkivlagring i DNA og tidlige muligheter for kommersialisering.

#1. Twist Bioscience Corporation 

Twist Bioscience spesialiserer seg på syntetisk DNA og utvikler teknologi for DNA-datalagring. I artikkelens historiske markedsoversikt var børsverdien 2,57 milliarder dollar, og selskapets (TWST )aksjekurs var 43,98 dollar, opp 19,32% siden årets begynnelse. Resultat per aksje for de siste tolv månedene var −3,81 dollar. Det oppgitte P/E-tallet var −11,53; negativt resultat gjør dette lite egnet som vanlig verdsettingsmål.

For andre kvartal 2024 rapporterte selskapet en omsetning på 75,3 millioner dollar, 25% høyere enn året før. Bruttomarginen steg fra 31% til 41%, og rundt 193.000 gener ble levert. Beløpet på 293,3 millioner dollar gjaldt kontanter, kontantekvivalenter og kortsiktige investeringer.

«Vi holder fast ved målet og konsentrerer oss om veien mot lønnsomhet.»

– administrerende direktør og medgrunnlegger Emily M. Leproust, ph.d.

#2. Illumina

Illumina er en stor leverandør av sekvensering og mikromatriseløsninger som kan brukes i DNA-analyse og lagring. I artikkelens historiske oversikt var børsverdien 20,77 milliarder dollar og aksjekursen 130,42 dollar, ned 6,33% siden årets begynnelse. Resultat per aksje siste tolv måneder var −19,18 dollar, med et oppgitt P/E-tall på −6,80. Negative resultater begrenser nytten av dette forholdstallet.

For andre kvartal 2024 rapporterte selskapet en omsetning for Core Illumina på 1,09 milliarder dollar, ned 6% fra året før. GAAP-driftsmarginen for denne virksomheten var 40,5%, og den justerte driftsmarginen var 22,2%. Ved kvartalsslutt hadde selskapet 994 millioner dollar i kontanter, kontantekvivalenter og kortsiktige investeringer.

«Illumina-teamet leverte bedre resultater enn vi forventet i kvartalet, gjennom disiplinert gjennomføring av våre strategiske prioriteringer.»

– administrerende direktør Jacob Thaysen

Konklusjon

Den økende digitaliseringen skaper stadig større datamengder og behov for bedre lagring. Dette motiverer forskning på nye løsninger som DNA-baserte arkiver.

Studien demonstrerer flere lagrings- og beregningsfunksjoner i ett laboratoriebasert system. Data kan lagres, hentes, leses, slettes, erstattes og behandles på programmerbare og gjentakbare måter, med skånsom tilgang til DNA-filene.

DNA har svært høy potensiell lagringstetthet og kan under gode forhold bevares lenge. Dette gjør molekylet interessant for fremtidige arkiver, men praktiske utfordringer med kostnad, hastighet og drift må fortsatt løses.

Klikk her for å lese hvordan fargesentre i diamanter kan bidra til datalagring.