Fullt funktionell DNA-baserad datalagring möjlig med senaste framsteg

I dagens hyperdigitala värld är varje företag beroende av data. Mängden affärsdata växer snabbt, särskilt med framväxten av avancerade teknologier som dataanalys, Internet of Things (IoT), och AI, som både genererar och använder enorma datamängder.

Dessa data är potentiellt viktiga, och det är kritiskt, nu mer än någonsin, att säkra dem på ett effektivt, pålitligt och säkert sätt. För att lagra data behöver du lagringslösningar som effektivt kan komma åt, organisera, hantera, dela och använda viktig information.

Även om din dator har lagringskapacitet är den begränsad och sparas på en enhet, så den kan bara användas medan enheten är påslagen och finns kvar tills den raderas. För att lagra dina data på lång sikt behöver du datalagringslösningar.

Lagringsenheterna är huvudsakligen indelade i två grupper:

• Direkt områdeslagring (DAS)
• Nätverksbaserad lagring

DAS är direkt ansluten till den dator som använder den, och även om den kan erbjuda bra lokala backup-tjänster är delning ganska begränsad. Enheter i denna kategori inkluderar disketter, flash‑drivar och optiska skivor såsom CD‑ och DVD‑skivor. 

Nätverksbaserad lagring är nu det bästa alternativet för datadelning och samarbete, eftersom den tillåter flera datorer att komma åt data via ett nätverk. Nätverksbaserade lagringsuppsättningar finns främst i två typer: nätverksansluten lagring (NAS) och lagringsnätverk (SAN). 

NAS innebär en enhet som är ansluten till ett nätverk. Här sker lagring och hämtning av data från en centraliserad plats. Detta prisvärda nätverkslagringsalternativ gör det möjligt för flera användare att lagra och dela filer över ett TCP/IP‑nätverk via Wi‑Fi eller en kabel.

SAN är ett specialiserat, högpresterande nätverk som kopplar delade lagringspooler till flera servrar. Det omfattar flera enheter av olika slag, som inkluderar:

En solid‑state‑disk (SSD) är en typ av hårddisk som är snabbare än traditionella som använder flashminne och flash‑drivar, vilka är elektronikbaserade alternativ där data kan uppdateras genom raderings‑ eller skrivoperationer. Hybridlagring innebär däremot en blandning av olika lagringstyper: flashlagring, SSD‑enheter, och mekaniska hårddiskar (HDDs).

Molnlagring är en annan kostnadseffektiv och skalbar metod eftersom data lagras virtuellt och därför kräver åtkomst till internet eller ett privat nätverk. Hybridmolnlagring använder olika moln, offentliga, privata, och hybrida, för olika arbetsbelastningar. 

Utveckling av ny teknik för att lagra digital data mer effektivt 

Trots alla dessa alternativ söker världen mer effektiva lösningar i ett digitalt universum som beräknas lägga till omkring 175 zettabyte data varje år till 2025. En växande grupp forskare förespråkar nu DNA som ett stabilt och hållbart alternativ för att möta detta behov.

DNA utforskas redan för datalagring, även om det fortfarande är i ett tidigt stadium, med en marknadsstorlek på endast $70 miljoner. Det förväntas dock växa med en årlig tillväxttakt på över 80 % till 2032.

DNA‑datalagring är exakt vad det låter som: att lagra digital data i DNA (deoxiribonukleinsyra), molekylen som bär den genetiska informationen för en organisms utveckling och funktion.

För att skapa DNA kombineras fyra olika nukleotider – adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T) – för att bilda en dubbelhelixstruktur, där två sammankopplade strängar virvlar runt varandra.

När data lagras i DNA kodas den binära datan i syntetiserade DNA‑strängar och avkodas sedan från dem. DNA är känt för att vara stabilt, tätt och ha förmågan att hålla länge. Dessa egenskaper gör DNA till ett attraktivt lagringsmedium. 

“Syntetiskt DNA har potentialen att lagra flera storleksordningar mer data än dagens enheter, och på ett sätt som lovar att vara mycket mer hållbart.”

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

Förutom lagring har DNA också utforskats för beräkning. I flera decennier har DNA‑beräkning varit föremål för forskning och utveckling på grund av fördelarna med skalbarhet, hållbarhet och energieffektivitet, bland annat.

År 2019 presenterade forskare från Microsoft och University of Washington det första helt automatiserade systemet för att lagra och hämta data med syntetiskt DNA. Detta innebar att koda ‘hello’ i molekylerna av syntetiskt DNA som skapades i laboratoriet och sedan omvandla det tillbaka.

Nya genombrott inom molekylär beräkning tyder på att vi kanske snart kan köra hela datornätverk inuti levande celler. Även om DNA‑lagring faktiskt har funnits ett tag, visar den nya studien den första funktionella molekylära datorn som kan både lagra och beräkna via DNA istället för elektricitet.

Tidigare i år fann ingenjörer vid University of Minnesota och Rochester Institute of Technology (RIT) ett sätt att bearbeta data lagrad i DNA. Denna “mikrofluidiska integrerade krets” är utformad för att fungera via artificiella neurala nätverksberäkningar på data lagrad i DNA. Enligt medförfattare Amlan Ganguly:

“Vi befinner oss i en era av stora datamängder som måste lagras någonstans.”

Han påpekade också att byggandet av fler datacenter inte är svaret eftersom varje center kräver konstruktion, underhåll och drift, vilket inte är hållbart.

Denna studie föreslog att representera tal genom koncentrationerna av lösningar som innehåller specifikt manipulerade DNA‑molekyler. Denna manipulation skulle motsvara beräkningsoperationer såsom addition, multiplikation och andra icke‑linjära funktioner som är nödvändiga för att utföra nätverksberäkningar.

För ett par år sedan demonstrerade Mark Bathe, professor i biologisk ingenjörskonst vid MIT, och hans kollegor också ett sätt att plocka ut den önskade filen ur en blandning av många DNA‑bitar. För att göra detta inkapslade forskarna varje datafil i en 6μm partikel av kisel, märkt med korta DNA‑sekvenser som avslöjar innehållet.

Källa: MIT News

När Bathe diskuterade DNA:s enorma potential att möta de ökande kraven på att lagra enorma mängder data påpekade han dess fascinerande egenskap att inte förbruka någon energi när DNA‑polymeren väl har skapats. Man skriver helt enkelt DNA och lagrar det på obestämd tid.

Forskare har till och med föreslagit att använda DNA:s stabilitet och hållbarhet för att koda digital data för att säkra och skydda digitala tillgångar.

Fler forskare och organisationer undersöker DNA:s potential för datalagring och beräkning. Den globala marknaden för datalagring uppgår för närvarande till $217 bln och förväntas nå hela $777.98 bln i slutet av detta decennium.

DNA‑baserad beräkningsgenombrott revolutionerar datalagring

I den senaste studien, publicerad i Nature, demonstrerade forskare från Johns Hopkins University och North Carolina State University en teknik med både lagrings‑ och beräkningsfunktioner som använder DNA istället för elektronik.

Denna teknik kan upprepade gånger lagra, hämta, beräkna, radera eller skriva om data. Medan tidigare DNA‑lagrings‑ och beräkningsteknik kunde utföra några av dessa uppgifter, kunde de inte slutföra dem alla.

“I konventionella beräkningsteknologier tar vi för givet att sättet data lagras på och sättet data bearbetas på är kompatibla med varandra.”

– Albert Keung, studiens ledare och docent i kemisk och biomolekylär ingenjörskonst vid NC State

Han tillade också:

“Men i verkligheten sker datalagring och databehandling i separata delar av datorn, och moderna datorer är ett nätverk av komplexa teknologier.” 

Eftersom DNA‑baserad data lagras i form av nukleinsyror har DNA‑beräkning haft svårt att lagra, hämta och beräkna den.

Det som gör elektronisk beräkning attraktiv är att alla komponenter i en enhet är kompatibla. Men med DNA‑datalagring är det inte så. Även om DNA‑baserad lagring erbjuder långsiktiga fördelar, tror man att utveckla en DNA‑teknik som kan täcka hela spektrumet av operationer som finns i traditionella elektroniska enheter skulle vara antingen svårt eller omöjligt att uppnå.

Nu visar den senaste studien att dessa DNA‑baserade teknologier faktiskt är “genomförbara eftersom vi har skapat en.”

Detta uppnåddes med hjälp av nya tekniker som möjliggjort skapandet av mjuka polymermaterial med unika morfologier. Enligt medförfattare till artikeln, Orlin Velev:

“Specifikt har vi skapat polymerstrukturer som vi kallar dendricolloider — de börjar på mikroskala men förgrenar sig från varandra på ett hierarkiskt sätt för att skapa ett nätverk av nanoskaliga fibrer.”  

År 2019 visade forskning från North Carolina State University att olika polymerer som fälls ut ur lösningar under speciella förhållanden kan skapa unika, mjuka dendritiska partikelmaterial med distinkta vidhäftande egenskaper (liknande gecko‑fötter, som gör att de kan fästa på nästan alla ytor) och strukturbildande egenskaper.

Vid den tiden delade Velev med sig av att använda ‘flytande’ nanoframställning för att omvandla polymerer till förgrenade partiklar efter att ha löst polymeren och snabbt blandat lösningen med en annan vätska. Den snabba blandningen i turbulent flöde, en inneboende kaotisk process, skapade förgrenade partiklar i hierarkiska strukturer.

NC State ansökte också om ett patent på de mjuka dendritiska materialen samt processen för att skapa dem.

För DNA‑lagringslösningsstudien har den struktur de skapat en stor yta, vilket möjliggör för forskarna att deponera DNA bland nanofibrerna. Detta uppnåddes utan att kompromissa med datadensiteten, vilket gör DNA attraktivt för datalagring. Detta uppnåddes utan att offra datadensiteten, vilket gör DNA attraktivt för datalagring.

“Du skulle kunna lagra data motsvarande tusen bärbara datorer i DNA‑baserad lagring som är lika stor som ett pennspetsradergummi.”

– Keung

Studiens första författare, Kevin Lin, en tidigare doktorand vid NC State, påstod att förmågan att särskilja DNA‑information från de nanofibrer den lagras på möjliggör att utföra många av samma funktioner som man kan med elektroniska enheter. 

Enligt honom kan DNA‑informationen kopieras direkt från materialets yta utan att skada själva DNA‑et. Förutom möjligheten att radera specifika DNA‑bitar och sedan skriva om dem på samma yta, fann studien att deponering av DNA på dendricolloid‑materialet faktiskt hjälpte till att bevara DNA‑et.

Velev noterade att med studien “tillhandahåller de motsvarigheten till mikrokretsar”, och det dendricolloida materialet fungerar som kretskort.

Denna nya DNA‑baserade lagrings‑ och beräkningsteknik, kallad ett “primärt DNA‑lagrings‑ och beräkningsmotor”, kan även lösa enkla sudoku‑ och 3 × 3‑schackproblem. Tester tyder på att tekniken kan lagra data säkert i tusentals år. Dessutom är “det dendrokolloida värdmaterialet i sig relativt billigt och enkelt att tillverka”, enligt Velev.

Företag involverade i DNA‑datalagring och beräkning 

Med tanke på dataens betydelse och behovet av mer effektiva lösningar undersöker flera företag DNA‑datalagring, beräkning och molekylära teknologier. Till exempel erbjuder Thermo Fisher Scientific (TMO ) (TMO) omfattande lösningar för DNA‑sekvensering och molekylär biologi, medan Agilent Technologies (A ) (A) fokuserar på DNA‑baserade teknologier, och Pacific Biosciences of California (PACB ) (PACB) specialiserar sig på långläsningssekvensering. Dessutom finns Helixworks Technologies, som har skapat ett programmerbart DNA‑datalagringsmaterial för att koda datafiler eller små applikationer direkt i ett objekts molekylära struktur.

Nu ska vi titta närmare på två framstående namn inom detta område. Båda dessa företag, tillsammans med Microsoft, Western Digital (WDC ) och flera andra medlemsinstitutioner, bildade DNA Data Storage (DTST ) Alliance. Alliansen syftar till att hantera den digitala datatillväxten genom att leverera en kostnadseffektiv, hållbar arkiveringslösning med DNA samt utforska dess tidiga kommersialisering.

#1. Twist Bioscience Corporation 

Detta företag specialiserar sig på syntetiskt DNA och fokuserar starkt på DNA‑datalagringsteknologier. Med ett börsvärde på $2.57 miljarder dollar handlas Twist Biosciences aktier för närvarande till $43.98, upp 19.32% YTD. Dess EPS (TTM) är -3.81, och P/E (TTM) är -11.53.

För Q2 2024 rapporterade företaget en omsättning på $75.3 miljoner dollar, vilket är en ökning med 25% från samma kvartal förra året. Bruttomarginalen ökade också till 41% jämfört med 31%. Under perioden skickades omkring 193,000 gener. $293.3 miljoner dollar rapporterades i kontanter, likvida medel och kortfristiga investeringar.

“Vi förblir orubbliga och fokuserade på vår väg mot lönsamhet.”

– VD och medgrundare Emily M. Leproust, Ph.D.

#2. Illumina

Detta företag är en ledare inom sekvensering och array‑baserade lösningar, vilka är avgörande för DNA‑databehandling och lagring. Med ett börsvärde på $20.77 miljarder dollar handlas Illuminas aktier för närvarande till $130.42, ner 6.33% YTD. Dess EPS (TTM) är -19.18, och P/E (TTM) är -6.80.

För Q2 2024 rapporterade företaget en omsättning på $1.09 miljarder dollar, ner 6% från Q2 2023. Dess GAAP‑driftsmarginal var 40.5%, och den icke‑GAAP‑driftsmarginalen var 22.2%. Vid kvartalets slut fanns $994 miljoner dollar i kontanter, likvida medel och kortfristiga investeringar.

“Illumina‑teamet levererade resultat som överträffade våra förväntningar under kvartalet, drivet av disciplinerad genomförande av våra strategiska prioriteringar.”

– VD Jacob Thaysen

Slutsats

Den ökande digitaliseringen av världen innebär att digital data är på väg mot exponentiell tillväxt. Detta dataexplosion kommer att vida överstiga kapaciteten hos befintlig lagringsteknik, vilket driver behovet av att utforska och anta nya lösningar som DNA‑lagring.

Som den nya studien visade möjliggör pågående genombrott att uppnå en komplett uppsättning av lagrings‑ och beräkningsfunktioner. Dessa operationer inkluderar lagring av data, flyttning av data samt förmågan att läsa, skriva om, radera, ladda om eller beräkna specifika datafiler — allt på programmerbara och repeterbara sätt utan att förstöra DNA‑et.

DNA, en anmärkningsvärd molekyl som finns i varje levande cell, erbjuder extremt hög densitet, vilket gör den till den perfekta långsiktiga lagringslösningen (inte bara för hundratals utan tusentals år). Detta pekar på dess enorma potential att förändra lagrings‑ och beräkningsvärlden.

Klicka här för att lära dig hur manipulation av diamantens färgcentra kan förändra datalagring.