211service.com
Å lagre data i DNA er mye enklere enn å få dem ut igjen
Menneskeheten skaper informasjon i en enestående hastighet – rundt 16 zettabyte hvert år (en zettabyte er en milliard terabyte). Og denne raten øker. I fjor beregnet forskningsgruppen IDC at vi vil produsere over 160 zettabyte hvert år innen 2025.
Alle disse dataene må lagres, og som et resultat trenger vi mye tettere minne enn vi har i dag. En spennende løsning er å utnytte den molekylære strukturen til DNA. Forskere har lenge visst at DNA kan brukes til datalagring - det lagrer tross alt planen for å lage individuelle mennesker og overfører det fra en generasjon til den neste.
Det som er imponerende for dataforskere er tettheten av dataene som DNA lagrer: et enkelt gram kan inneholde omtrent en zettabyte.
Men ingen har kommet opp med et realistisk system for å lagre data i et DNA-bibliotek og deretter hente det igjen når det trengs.
I dag endrer det seg takket være arbeidet til Federico Tavella ved University of Padua i Italia og kolleger, som har designet og testet nettopp en slik teknikk basert på bakterielle nanonettverk.
Prinsippet er enkelt. Bakterier bærer ofte genetisk informasjon i form av små sirkulære ringer av dobbelttrådet DNA kalt plasmider. Disse molekylene er viktige fordi de ofte gir en viss fordel til vertscellen, for eksempel antibiotikaresistens.
Avgjørende er det at bakterier kan overføre plasmider fra en celle til en annen i en prosess kjent som konjugering. Dette er en måte bakterier bytter genetisk informasjon på, og prosessen danner et fantastisk komplekst nanonettverk i naturen.
Det er grunnlaget for den nye teknikken. Tavella og co ønsker å utnytte dette nanonettverket til å overføre informasjon som de har genetisk konstruert til plasmidene.
Tanken er å lagre data i plasmider inne i bakterieceller som er fanget på et bestemt sted. For å hente denne informasjonen sender forskerne bevegelige bakterier til dette stedet, hvor de konjugerer med de fangede bakteriene og fanger de databærende plasmidene. Til slutt bærer de bevegelige bakteriene denne informasjonen til en enhet som trekker ut plasmidene og leser dataene de bærer.
Tavella og co har til og med utført et proof-of-princip-eksperiment, ved å bruke to forskjellige stammer av E coli —HB101 og Novablue — som er resistente mot forskjellige antibiotika. HB101 er resistent mot streptomycin, mens Novablue har tetracyklinresistente plasmider. Novablue kan overføre denne motstanden til HB101 ved å overføre disse plasmidene under konjugering.
Det gir teamet kontroll over hvor bakteriene kan vokse. For eksempel kan Novablue overleve når tetracyklin er tilstede, men HB101 kan ikke – med mindre det har konjugert med Novablue og blitt resistent.
Så prototypeminnet består av et datalagringsområde, en dataleser og en dataoverføringskanal som forbinder dem. For å lagre data koder forskerne en enkel melding inn i de tetracyklin-resistente plasmidene som bæres av Novablue-bakteriene. Tradisjonen tro er budskapet Hello World. De inkluderer også et fluorescerende fargestoff i plasmidet slik at de kan overvåke bevegelsen.
Til å begynne med plasseres Novablue-bakteriene i datalagringsområdet, hvor de ikke kan unnslippe. I praksis er dette en flat overflate av hard agar som ikke egner seg for bakteriemotilitet. Uansett omgir teamet dette med streptomycin, som dreper Novablue.
Dataoverføringskanalen går fra en kilde med HB101-bakterier over datalagringsområdet og deretter videre mot dataleseren. Denne består av myk agar som er egnet for bakteriell motilitet. Og siden HB101 er resistent mot streptomycin, kan den bevege seg gjennom denne kanalen med relativ letthet.
Imidlertid er området mellom datalagringsområdet og dataleseren rik på tetracyklin så vel som streptomycin. Og dette hindrer begge bakteriene i å reise over den.
Hva som skjer videre er nøkkelen. HB101-bakteriene reiser til datalagringsområdet, konjugerer med Novablue-bakteriene og plukker opp de databærende plasmidene.
Men dette gir dem også tetracyklinresistens. Og det betyr at når de har plukket opp dataene, kan de reise videre gjennom kanalen til dataleseren. Forskerne trekker deretter ut plasmidene og leser dataene – Hello World. De kan se hvordan informasjon flyter over dette nettverket takket være det fluorescerende fargestoffet.
Det er ikke akkurat raskt: HB101-bakteriene bruker omtrent 72 timer på å reise over agarkanalen. Så datahastigheter er sneglelignende. Men eksperimentet viser hvordan et DNA-dataarkiv i prinsippet kunne fungere.
Det er et annet viktig element i et dataarkiv. I et slikt system vil det være mange datalagringssteder, og hver enkelt må være adresserbar. Det må med andre ord være en måte for dataoverføringsbakteriene å finne hvert sted.
Tavella og co har også et svar på dette: et molekylært posisjoneringssystem som er analogt med Global Positioning System. Dette er avhengig av beacons som hver frigjør et kjemikalie som tiltrekker seg bakteriene. Faktisk kan bakteriene konstrueres til å følge disse kjemiske sporene.
Deretter, med tre forskjellige kjemikaliespor, er det mulig å triangulere en posisjon i rommet. Når bevegelige bakterier følger alle tre sporene, ender de opp på stedet der alle tre kjemiske signalene overlapper hverandre. I simuleringer, sier forskerne, fungerer denne prosessen bra, men de har ennå ikke prøvd den i et vått laboratorium.
Arbeidet er likevel et interessant steg mot praktisk DNA-basert datalagring. Vår løsning gjør at digitalt kodet informasjon kan lagres i ikke-bevegelige bakterier, som utgjør en arkivarkitektur av klynger, og senere hentes av konstruerte bevegelige bakterier, når det er behov for leseoperasjoner, sier Tavella og co.
Og proof-of-princip-eksperimentet viser hvordan dette kan fungere. Vi har utført våte laboratorieeksperimenter som viser hvordan bakterier nanonettverk effektivt kan hente en enkel melding, som «Hello World», ved å konjugere med ikke-bevegelige bakterier, og til slutt mobilisere mot et siste punkt, sier de.
Selvfølgelig er det mange utfordringer fremover. Det molekylære posisjoneringssystemet er interessant, men det må testes i et vått laboratorium for å se hvor allsidig og praktisk det kan være. Og datahastighetene må økes. Det vil ikke være mulig ved å øke hastigheten som bakterier reiser med, men hastighetene kan forbedres betydelig ved å øke mengden data hvert plasmid lagrer.
Tidlige dager for en potensielt spennende teknikk.
Ref: arxiv.org/abs/1801.04774 : DNA Molecular Storage System: Overføring av digitalt kodet informasjon gjennom bakterielle nanonettverk