In de afgelopen jaren hebben wetenschappers de 700.000 jaar oude mammoet- en paardengenomen gedecodeerd met behulp van DNA-fragmenten die uit fossielen zijn geëxtraheerd. DNA gaat beslist veel langer mee dan organismen waarvoor het genetische codes draagt. Computerwetenschappers en ingenieurs hebben er lang van gedroomd om de verkleinbaarheid en veerkracht van DNA te gebruiken om digitale gegevens op te slaan. Ze willen al die nullen en enen coderen in moleculen A, C, G en T, die de wenteltrap van DNA-polymeer vormen - en de vooruitgang van dit decennium in DNA-synthese en sequentiebepaling heeft geleid tot een grote doorbraak. Recente experimenten hebben aangetoond dat we op een dag alle digitale informatie van de wereld in een paar liter DNA kunnen coderen - en duizenden jaren later opnieuw kunnen lezen.
De belangstelling van Microsoft en andere techbedrijven leidt tot spanningen op dit gebied. Vorige maand zei Microsoft Research dat het de synthetische biologie-startup Twist Bioscience zou betalen om 10 miljoen DNA-strengen te maken die zijn ontworpen door de computerwetenschappers van Microsoft om gegevens op te slaan. Toonaangevende geheugenmaker Micron Technology financiert ook DNA-opslagonderzoek om te bepalen of een nucleïnezuursysteem de grenzen van elektronisch geheugen kan verleggen. Deze instroom van geld en rente zou de exorbitante kosten geleidelijk kunnen verminderen en het opslaan van data in het DNA binnen tien jaar mogelijk kunnen maken, aldus de onderzoekers.
Mensen zullen tegen 2017 meer dan 16 biljoen gigabyte aan digitale gegevens genereren, en de meeste daarvan zullen moeten worden gearchiveerd. Juridische, financiële en medische gegevens, maar natuurlijk ook multimediabestanden. Tegenwoordig worden gegevens opgeslagen op harde schijven, optische schijven in energie-intensieve datacenters ter grootte van een magazijn. Deze gegevens worden op zijn best dertig jaar bewaard, in het slechtste geval meerdere. Bovendien, volgens de computerarchitect Karin Strauss van Microsoft Research: "We produceren veel meer gegevens dan de opslagindustrie kan, en de projecties laten zien dat de kloof groter zal worden."
Laten we nu aan dit alles DNA toevoegen. Het kan eeuwen leven als het op een koele, droge plaats wordt bewaard. In theorie kan het miljarden gigabytes aan gegevens in een suikerklontje verpakken. Tape, het dichtste opslagmedium dat momenteel beschikbaar is, kan 10 gigabyte in dezelfde hoeveelheid ruimte bevatten. "DNA is een ongelooflijk dicht, duurzaam en niet-vluchtig opslagmedium", zegt Olgica Milenkovic, hoogleraar elektrotechniek en computertechnologie aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.
Dit komt doordat elk van de vier bouwmoleculen - adenine (A), cytosine ©, guanine (G) en thymine (T) - een kubieke nanometer in volume inneemt. Met behulp van een coderingssysteem - bijvoorbeeld waarin A staat voor bits "00", C voor "01" enzovoort - kunnen wetenschappers de rijen enen en nullen waaruit digitale gegevensbestanden bestaan, nemen en een DNA-streng maken met daarin een momentopname of video. De echte coderingstechniek is natuurlijk veel gecompliceerder dan we hier voor u hebben geschreven. Ontwerp DNA-strengsynthese is het proces van het schrijven van gegevens. Wetenschappers kunnen ze vervolgens lezen door de ketens op volgorde te zetten.
De Harvard-geneticus George Church richtte dit onderzoeksgebied op in 2012 door 70 miljard exemplaren van het boek - een miljoen gigabit - te coderen in een kubieke millimeter DNA. Een jaar later toonden wetenschappers van het European Bioinformatics Institute aan dat ze zonder een enkele fout 739 kilobytes aan gegevens in DNA konden lezen.
Vorig jaar hebben verschillende teams van wetenschappers volledig functionerende systemen gedemonstreerd. In augustus hebben wetenschappers van de ETH Zürich synthetisch DNA ingekapseld in glas, onderworpen aan omstandigheden die het verstrijken van 2000 jaar simuleren, en de gecodeerde gegevens volledig hersteld. Tegelijkertijd meldden Milenkovic en haar collega's dat zes Amerikaanse universiteiten Wikipedia-pagina's in DNA hadden opgeslagen en - door de sequenties van speciale "adressen" te voorzien - selectief delen van de geschreven tekst lazen en bewerken. Willekeurige toegang tot gegevens is van cruciaal belang om te voorkomen dat "een heel boek in volgorde moet worden geplaatst om slechts één alinea te lezen", zegt Milenkovich.
In april meldden Strauss en wetenschappers Jord Seelig en Luis Tsese van de Universiteit van Washington dat ze in staat waren om drie beeldbestanden van elk enkele tientallen kilobytes te schrijven in 40.000 DNA-strengen met behulp van hun eigen coderingsschema, en ze vervolgens afzonderlijk te lezen, niet fouten maken. Ze presenteerden hun werk in april op een conferentie van de Association for Electronic Computing. Met de 10 miljoen snaren die Microsoft van Twist Bioscience koopt, zijn de wetenschappers van plan om te bewijzen dat DNA-gegevens op een veel grotere schaal kunnen worden opgeslagen. "Ons doel is om het ultieme systeem te demonstreren waarin we DNA-bestanden coderen, moleculen synthetiseren, ze lange tijd opslaan en ze vervolgens herstellen door het DNA te sequencen", zegt Strauss. "We beginnen met de beats en gaan terug naar de beats."
Promotie video:
Geheugenfabrikant Micron bestudeert DNA als post-siliciumtechnologie. Het bedrijf financiert het werk van wetenschappers van de kerk en de Universiteit van Idaho om een foutloos opslagsysteem in DNA te creëren. "De stijgende kosten van opslag zullen alternatieve oplossingen stimuleren, en DNA-opslag is een van de meest veelbelovende oplossingen", aldus Gurtei Sandu, directeur geavanceerde technologieontwikkeling bij Micron.
Wetenschappers zijn nog steeds op zoek naar manieren om het aantal fouten bij het coderen en decoderen van gegevens te verminderen. Maar de meeste technologie is al aanwezig. Dus wat weerhoudt ons ervan om van datawarehouses in schoenendozen naar glazen DNA-capsules te gaan? Kosten. "Het opnameproces is een miljoen keer duurder", zegt Seelig.
Dit is waarom: het maken van DNA houdt in dat moleculen van nanoformaat één voor één met hoge precisie worden geregen - geen gemakkelijke taak. En hoewel de kosten van sequencing daalden vanwege de snel groeiende vraag naar deze service, had DNA-synthese geen vergelijkbare driver op de markt. Milenkovic betaalde ongeveer $ 150 om een reeks van 1.000 gesynthetiseerde nucleotiden te maken. Het sequencen van een miljoen nucleotiden kost ongeveer een cent.
Interesse in gegevensopslag van Microsoft en Micron is misschien wel het momentum dat nodig is om kosten te besparen, zegt Seelig. Slimme engineering en nieuwe technologieën, zoals microfluïdica en DNA-sequencing op basis van nanoporiën, die het proces helpen verminderen en versnellen, zullen ook vooruit helpen. Het kost nu uren om honderden basenparen te sequencen - en dagen om ze te synthetiseren - met behulp van een heleboel apparatuur. Ik wou dat ik het allemaal in een kleine doos kon doen, anders zou het voordeel van opslagdichtheid verloren gaan.
Als alles goed gaat, stelt Strauss zich voor dat bedrijven de komende tien jaar archiveringsdiensten voor DNA-bewaring aanbieden. "Je kunt je browser openen en bestanden naar hun site uploaden of je bytes terughalen zoals je zou doen met de cloud", zegt ze. Of je zou een DNA-schijf kunnen kopen in plaats van een harde schijf.
ILYA KHEL
