Fullt fungerande DNA-baserad datalagring möjlig med senaste prestationen

I dagens hyperdigitala värld är alla företag beroende av data. Mängden företagsdata växer snabbt, särskilt med framväxten av avancerad teknik som dataanalys, Internet of Things (IoT) och AI, som båda genererar och använder enorma mängder data.

Denna data är potentiellt viktig, och det är kritiskt, mer än någonsin, att säkra den på ett effektivt, tillförlitligt och säkert sätt.För att lagra data behöver du lagringslösningar för att effektivt komma åt, organisera, hantera, dela och använda viktig information.

Medan din dator har lagringsförmåga, är den begränsad och sparad till en enhet, så den kan bara användas medan enheten är på och förblir tills den raderas. För att lagra dina data på lång sikt behöver du datalagringslösningar.

Lagringsenheterna delas huvudsakligen in i två grupper:

• Direkt områdeslagring (DAS)
• Nätverksbaserad lagring

DAS är direkt ansluten till den dator som använder den, och medan den kan tillhandahålla anständiga lokala säkerhetskopieringstjänster, är delning ganska begränsad. Enheter i denna kategori inkluderar disketter, USB-minnen och optiska skivor som CD och DVD.

Nu är nätverksbaserad lagring det bästa alternativet för data-delning och samarbete, eftersom den tillåter flera datorer att komma åt data via ett nätverk. Nätverksbaserade lagringskonfigurationer är primärt av två typer: nätverksansluten lagring (NAS) och lagringsområde (SAN).

NAS innebär en enhet som är ansluten till ett nätverk. Här sker data-lagring och -återställning från en central plats. Detta prisvärda nätverkslagringsalternativ tillåter flera användare att lagra och dela filer över ett TCP/IP-nätverk via Wi-Fi eller kabel.

SAN är ett specialiserat, höghastighetsnätverk som ansluter delade lagringsenheter till flera servrar. Det innefattar flera enheter av olika slag, som inkluderar: En fast tillståndsskiva (SSD) är en typ av hårddisk som är snabbare än traditionella som använder flashminne och USB-minnen, som är elektronikbaserade alternativ där data kan uppdateras genom raderings- eller skrivoperationer. Hybridlagring innebär en blandning av olika typer av lagring: flash-lagring, SSD och mekaniska diskenheter (HDD).

Molnlagring är ett annat kostnadseffektivt och skalbart sätt att lagra data eftersom data lagras virtuellt och kräver åtkomst till Internet eller ett privat nätverk. Hybridmolnlagring använder olika moln, offentliga, privata och hybrid, för olika arbetsbelastningar.

Utveckling av ny teknik för att lagra digital data mer effektivt

Trots alla dessa alternativ söker världen efter mer effektiva lösningar i ansiktet av ett digitalt universum som förväntas lägga till cirka 175 zettabytes av data årligen till 2025. En växande grupp forskare förespråkar nu DNA som ett stabilt och hållbart alternativ för att möta denna efterfrågan.

Redan idag undersöks DNA för datalagring, även om det fortfarande är i ett tidigt skede, med en marknadsstorlek på endast $70 miljoner. Men det förväntas växa med mer än 80% till 2032.

DNA-datalagring är exakt vad det låter: lagring av digital data i DNA (eller deoxyribonukleinsyra), molekylen som bär genetisk information för en organisms utveckling och funktion.

För att skapa DNA kombineras fyra olika nukleotider – Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) och Thymin (T) – för att bilda en dubbelhelixstruktur, där två sammanlänkade strängar vindar runt varandra.

När man lagrar data i DNA, kodas binär data i syntetiserade DNA-strängar och sedan avkodas från dem. DNA är känt för att vara stabilt, tätt och ha förmågan att vara långvarigt. 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 Research

Förutom att lagra data har DNA också undersökts för beräkningar. Under många decennier nu har DNA-beräkning varit föremål för forskning och utveckling på grund av fördelarna med skalbarhet, hållbarhet och energieffektivitet, bland annat.

Tillbaka 2019 avslöjade forskare från Microsoft och University of Washington den första helt automatiserade systemet för lagring och återställning av data med hjälp av syntetiserat DNA. Detta innebar att koda ‘hej’ i molekyler av syntetiskt DNA som skapats i laboratoriet och sedan konvertera tillbaka.

Senaste genombrotten inom molekylär beräkning tyder på att vi kanske kan köra hela datornätverk inom levande celler i nära framtiden. Medan DNA-lagring har funnits ett tag, visar den nya studien den första fungerande molekylära datorn som kan lagra och beräkna via DNA istället för att använda elektricitet.

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

“Vi är i eran av stora data som behöver lagras någonstans.”

Han noterade också att bygga fler datacenter inte är svaret eftersom var och en kräver konstruktion, underhåll och drift, vilket inte är hållbart.

Denna studie föreslog att representera tal genom koncentrationer av lösningar som innehåller specifikt manipulerade DNA-molekyler. Denna manipulation skulle representera beräkningsoperationer som addition, multiplikation och andra icke-linjära funktioner som är väsentliga för att utföra nätverksberäkningar.

För ett par år sedan visade Mark Bathe, en professor i biologisk ingenjörskap vid MIT och hans kollegor, också ett sätt att plocka ut den önskade filen från en blandning av många bitar av DNA. För att göra det kapslade forskarna varje datafil i en 6 μm partikel av kisel, märkt med korta DNA-sekvenser som avslöjar innehållet.

Källa: MIT News

När man diskuterar DNA:s enorma potential för att möta den skenande efterfrågan på lagring av enorma mängder data, noterade Bathe dess intressanta egenskap att inte förbruka någon energi när DNA-polymeren väl är skapad. Du skriver bara DNA och lagrar det oändligt.

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.

Flera forskare och organisationer undersöker DNA:s potential för datalagring och beräkning. Den globala datalagringsmarknaden är för närvarande $217 miljarder och förväntas nå en hisnande $777,98 miljarder i slutet av detta decennium.

DNA-baserad datalagring revolutionerar datalagring

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

Denna teknik kan upprepat lagra, hämta, beräkna, radera eller skriva om data. Medan tidigare DNA-lagring och beräkningsteknik har kunnat utföra några av dessa uppgifter, kunde de inte slutföra alla.

“I konventionell dator-teknik tar vi för givet att sättet data lagras och sättet data bearbetas är kompatibla med varandra.”

– Albert Keung, studieledare och biträdande professor i kemisk och biomedicinsk ingenjörskap vid NC State

Han tillade också:

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

Givet att DNA-baserad data lagras i form av nukleinsyror, har DNA-beräkning kämpat med hur man lagrar, hämtar och beräknar den.

Vad som gör elektronisk beräkning attraktiv är att alla komponenter i en enhet är kompatibla. Men med DNA-baserad datalagring är det inte fallet. Medan DNA-baserad datalagring erbjuder långsiktiga fördelar, anses det att utveckla en DNA-teknik som kan täcka hela omfattningen av operationer som finns i traditionella elektroniska enheter antingen skulle vara svårt eller omöjligt att uppnå.

Nu visar den senaste studien att dessa DNA-baserade tekniker faktiskt är “livskraftiga eftersom vi har skapat en”.

Detta uppnåddes med hjälp av senaste tekniker som har möjliggjort skapandet av mjuka polymermaterial med unika morfologier. Enligt medförfattaren Orlin Velev:

“Specifikt har vi skapat polymerstrukturer som vi kallar dendrikolloider – de börjar på mikroskalan men grenar av varandra på ett hierarkiskt sätt för att skapa ett nätverk av nanoskalfibrer.”

2019 visade forskning från North Carolina State University att olika polymerer som fälls ut från lösningar under särskilda förhållanden kan skapa unika, mjuka dendritiska partikelmaterial med distinkta adhesiva (som geckofötter, som tillåter dem att fästa vid nästan alla ytor) och strukturbildande egenskaper.

Då delade Velev användningen av “vätske”-nanotillverkning för att omvandla polymerer till grenade partiklar efter att ha upplöst polymeren och blandat lösningen snabbt med en annan vätska. Denna snabba blandning i turbulent flöde, en inneboende kaotisk process, skapade grenade partiklar i hierarkiska strukturer.

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

Nu, för DNA-lagringslösningen, har strukturen de skapat en hög yta, vilket tillåter forskarna att deponera DNA bland nanofibrillerna. Detta uppnåddes utan att offra data-densiteten, vilket gör DNA attraktivt för datalagring.

“Du kunde placera en tusen laptops värd av data i DNA-baserad lagring som är samma storlek som en blyertssuddgumma.”

– Keung

Författaren till studien, Kevin Lin, en tidigare doktorand vid NC State, uppgav att förmågan att differentiera mellan DNA-information och nanofibrerna 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 DNA:t. Förutom förmågan att radera riktade delar av DNA och sedan skriva om dem till samma yta, fann studien att deponering av DNA på dendrikolloidmaterialet faktiskt hjälpte till att bevara DNA:t.

Velev noterade att med studien “tillhandahåller vi motsvarigheten till mikrokretsar”, och dendrikolloidmaterialet tillhandahåller kretskortet.

Denna nya DNA-baserade lagrings- och beräkningsteknik, kallad “primordial DNA-lagrings- och beräkningsmotor”, kan också lösa enkla Sudoku och 3 × 3 schackproblem. Tester tyder på att tekniken kunde lagra data säkert i tusentals år. Utöver detta “är dendrikolloidmaterialet i sig relativt billigt och lätt att tillverka”, enligt Velev.

Företag involverade i DNA-datalagring och beräkning

Med tanke på datans betydelse och behovet av mer effektiva lösningar undersöker flera företag DNA-datalagring, beräkning och molekylär teknik. Till exempel tillhandahåller Thermo Fisher Scientific (TMO) omfattande lösningar för DNA-sekvensering och molekylärbiologi, medan Agilent Technologies (A) fokuserar på DNA-baserad teknik och Pacific Biosciences of California (PACB) specialiserar sig på långsekvenserings-teknik. Sedan finns det Helixworks Technologies, som har skapat programmerbar DNA-datalagring för att koda datafiler eller små program direkt in i ett objekts molekylära struktur.

Nu ska vi ta en närmare titt på två framstående namn inom detta område. Båda dessa företag, tillsammans med Microsoft, Western Digital och flera andra medlemsinstitutioner, bildade DNA Data Storage Alliance. Alliansen syftar till att hantera digital datatillväxt genom att leverera en lågkostnads-, hållbar lösning för arkivdatalagring med hjälp av DNA och undersöka dess tidiga kommersialisering.

#1. Twist Bioscience Corporation

Detta företag specialiserar sig på syntetiskt DNA och fokuserar kraftigt på DNA-datalagringsteknik. Med en marknadsstorlek på $2,57 miljarder handlas Twist Biosciences aktier för närvarande till $43,98, upp 19,32% jämfört med föregående år. Deras EPS (TTM) är -3,81 och deras P/E (TTM) är -11,53.

För Q2 2024 rapporterade företaget intäkter på $75,3 miljoner, vilket är en ökning med 25% från samma kvartal föregående år. Grossmarginalen ökade också till 41% jämfört med 31%. Under perioden levererades cirka 193 000 gener. $293,3 miljoner rapporterades i kontanter, kontanta ekvivalenter och kortfristiga investeringar.

“Vi förblir fast beslutna och fokuserade på vår väg till lönsamhet.”

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

#2. Illumina

Detta är en ledare inom sekvensering och arraybaserade lösningar, som är väsentliga för DNA-databearbetning och lagring. Med en marknadsstorlek på $20,77 miljarder handlas Illuminas aktier för närvarande till $130,42, ner 6,33% jämfört med föregående år. Deras EPS (TTM) är -19,18 och deras P/E (TTM) är -6,80.

För Q2 2024 rapporterade företaget intäkter på $1,09 miljarder, ner 6% från Q2 2023. Deras GAAP-operativa marginal var 40,5% och deras icke-GAAP-operativa marginal var 22,2%. Vid slutet av kvartalet hölls $994 miljoner i kontanter, kontanta ekvivalenter och kortfristiga investeringar.

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

– VD Jacob Thaysen

Slutsats

Den växande digitaliseringen av världen innebär att digital data är på väg att växa exponentiellt. Denna explosion av data kommer att vida överstiga kapaciteten för befintlig lagringsteknik, vilket driver behovet av att undersöka och anta nya lösningar som DNA-lagring.

Som den nya studien visade, pågår genombrott som gör det möjligt att uppnå en full uppsättning av datalagrings- och beräkningsfunktioner. Dessa operationer inkluderar lagring av data, flyttning av data och förmågan att läsa, skriva om, radera, ladda om eller beräkna specifika datafiler – allt på programmerbara och upprepningsbara sätt utan att försämra DNA:t.

DNA, en anmärkningsvärd molekyl som finns i varje levande cell, erbjuder extremt hög densitet, vilket gör den till det perfekta långsiktiga lagringsalternativet (inte bara för hundratals utan tusentals år). Detta pekar på dess enorma potential för att förvandla världen av lagring och beräkning.

Klicka här för att lära dig hur manipulation av en diamants färgcenter kan förvandla datalagring.