Under de senaste åren har forskare avkodat de 700 000 år gamla mammut- och hästgenomerna med DNA-fragment extraherade från fossiler. DNA varar definitivt mycket längre än organismer för vilka det bär genetiska koder. Datavetare och ingenjörer har länge drömt om att utnyttja DNA: s minskning och motståndskraft för att lagra digitala data. De vill koda alla dessa nollor och enor i molekylerna A, C, G och T, som bildar spiraltrappan för DNA-polymeren - och detta decenniets framsteg inom DNA-syntes och sekvensering har lett till ett stort genombrott. Nya experiment har visat att vi en dag kommer att kunna koda all världens digitala information i några liter DNA - och läsa den igen tusentals år senare.
Intresset från Microsoft och andra teknikföretag ökar spänningarna inom detta område. Förra månaden sa Microsoft Research att det skulle betala syntetisk biologistart Twist Bioscience för att skapa 10 miljoner DNA-strängar designade av Microsofts datavetare för att lagra data. Den ledande minnestillverkaren Micron Technology finansierar också forskning om DNA-lagring för att avgöra om ett nukleinsyrasystem kan driva gränserna för elektroniskt minne. Denna tillströmning av pengar och räntor kan gradvis minska orimliga kostnader och göra det möjligt att lagra data i DNA inom tio år, säger forskarna.
Människor kommer att generera över 16 biljoner gigabyte digital data till 2017, och det mesta måste arkiveras. Juridiska, finansiella och medicinska uppgifter samt naturligtvis multimediafiler. Idag lagras data på hårddiskar, optiska skivor i energikrävande datacenter på storleken på ett lager. I bästa fall lagras dessa uppgifter i trettio år, i värsta fall - flera. Enligt Microsoft Research: s dataarkitekt Karin Strauss, "Vi producerar mycket mer data än lagringsindustrin kan göra, och prognoserna visar att klyftan kommer att öka."
Låt oss nu lägga till DNA i allt detta. Den kan leva i århundraden om den förvaras på en sval, torr plats. I teorin kan den packa miljarder gigabyte data i en sockerkub. Tape, det tätaste lagringsmediet som finns idag, kan rymma 10 gigabyte i samma mängd utrymme. "DNA är ett otroligt tätt, hållbart och icke-flyktigt lagringsmedium", säger Olgica Milenkovic, professor i elektroteknik och datateknik vid University of Illinois i Urbana-Champaign.
Detta beror på att var och en av de fyra byggmolekylerna - adenin (A), cytosin ©, guanin (G) och tymin (T) - upptar en kubisk nanometer i volym. Med hjälp av ett kodningssystem - säg där A representerar bitarna "00", C representerar "01" och så vidare - kan forskare ta raderna med enor och nollor som utgör digitala datafiler och skapa en DNA-sträng som innehåller en stillbild eller video. Naturligtvis är den verkliga kodningstekniken mycket mer komplicerad än vi skrev för dig här. Syntesen av en designad DNA-sträng är processen att skriva data. Forskare kan sedan läsa dem genom att sekvensera kedjorna.
Harvard-genetikern George Church grundade detta forskningsområde 2012 genom att koda 70 miljarder exemplar av boken - en miljon gigabit - i en kubik millimeter DNA. Ett år senare visade forskare från Europeiska institutet för bioinformatik att de utan ett enda misstag kunde läsa 739 kilobyte data i DNA.
Förra året demonstrerade flera forskargrupper fullt fungerande system. I augusti inkapslade forskare vid ETH Zürich syntetiskt DNA i glas, utsattes för förhållanden som simulerade utgången av 2000 år och återställde de kodade uppgifterna helt. Parallellt rapporterade Milenkovic och hennes kollegor att sex amerikanska universitet hade sparat Wikipedia-sidor i DNA och - genom att förse sekvenserna med speciella "adresser" - selektivt läst och redigerat delar av den skrivna texten. Slumpmässig tillgång till data är avgörande för att undvika att behöva "ordna en hel bok för att bara läsa ett stycke", säger Milenkovich.
I april rapporterade Strauss och forskarna Jord Seelig och Luis Tsese från University of Washington att de kunde skriva tre bildfiler, vardera flera tiotals kilobyte, i 40 000 DNA-strängar med sitt eget kodningsschema och sedan läsa dem individuellt, inte gör misstag. De presenterade sitt arbete i april vid en konferens i Association for Electronic Computing. Med de 10 miljoner strängarna som Microsoft köper från Twist Bioscience planerar forskarna att bevisa att DNA-data kan lagras i mycket större skala. "Vårt mål är att demonstrera ett slutligt system där vi kodar DNA-filer, syntetiserar molekyler, lagrar dem under lång tid och sedan återställer dem genom att sekvensera DNA", säger Strauss. "Vi börjar med beats och går tillbaka till beats."
Kampanjvideo:
Minnetillverkaren Micron studerar DNA som en post-kisel-teknik. Företaget finansierar forskare från Church och University of Idaho för att skapa ett felfritt lagringssystem i DNA. "De stigande lagringskostnaderna kommer att driva alternativa lösningar, och DNA-lagring är en av de mest lovande lösningarna", säger Gurtei Sandu, chef för avancerad teknikutveckling på Micron.
Forskare letar fortfarande efter sätt att minska antalet fel i datakodning och avkodning. Men det mesta av tekniken är redan på plats. Så vad hindrar oss från att flytta från skodosstorlekens datalager till glaskapslar med DNA? Kosta. "Inspelningsprocessen är en miljon gånger dyrare", säger Seelig.
Här är varför: Att göra DNA innebär att man stränger nanostorlekar molekyler en efter en med hög precision - inte en lätt uppgift. Även om kostnaden för sekvensering sjönk på grund av den snabbt växande efterfrågan på denna tjänst hade DNA-syntes inte en liknande drivkraft på marknaden. Milenkovic betalade cirka 150 dollar för att skapa en sträng på 1000 syntetiserade nukleotider. Att sekvensera en miljon nukleotider kostar ungefär en cent.
Intresset för datalagring från Microsoft och Micron kan vara precis det momentum som behövs för att börja sänka kostnaderna, säger Seelig. Smart teknik och ny teknik som mikrofluidik och DNA-sekvensering av nanoporer som hjälper till att minska och påskynda processen kommer också att hjälpa till. Det tar nu timmar att ordna flera hundra baspar - och dagar att syntetisera dem - med hjälp av en massa utrustning. Jag önskar att jag kunde göra allt detta i en liten låda, annars skulle fördelen med lagringstäthet gå förlorad.
Om allt går bra föreställer sig Strauss företag som erbjuder arkiv-DNA-konserveringstjänster för nästa decennium. "Du kan öppna din webbläsare och ladda upp filer till deras webbplats eller ta tillbaka dina byte som med molnet", säger hon. Eller så kan du köpa en DNA-skiva istället för en hårddisk.
ILYA KHEL
