Το σώμα ως datacenter: αποθήκευση και επεξεργασία δεδομένων στο DNA

Σύμφωνα με τους ειδικούς έχουμε ένα σοβαρό πρόβλημα, που θα πρέπει να αντιμετωπιστεί σύντομα: ο όγκος των δεδομένων (data) αυξάνεται συνεχώς, σε σημείο που οι υποδομές για την μαζική επεξεργασία και αποθήκευσή τους δεν επαρκούν. Μιλάνε για megabytes με πολλά μηδενικά, τα οποία πολλαπλασιάζονται. Έτσι, οι επεξεργαστές με το παραδοσιακό ηλεκτρονικό κύκλωμα από πυρίτιο, έχουν φτάσει στα όριά τους όσον αφορά την σμίκρυνση, η οποία προσφέρει αναλογικά μεγαλύτερη επεξεργαστική ισχύ. Οι σκληροί δίσκοι, οι μαγνητικές ταινίες και τα CD/DVD αγγίζουν επίσης τα όριά τους σε πυκνότητα αποθήκευσης, ενώ φθείρονται μεσο-μακροπρόθεσμα. Και τα κέντρα δεδομένων (datacenter) ως «φάρμες» μαζικής αποθήκευσης και επεξεργασίας καταναλώνουν πολλή ενέργεια.

Ανάμεσα στις διάφορες λύσεις – πχ. οι κβαντικοί υπολογιστές, η αποθήκευση σε γυαλί, διαμάντια ή άλλα χημικά στοιχεία – αυτή που φαίνεται να ξεχωρίζει είναι η χρήση του γενετικού υλικού που, σύμφωνα με τους ειδικούς, αποτελεί τον «κώδικα της ζωής»: το DNA. Και, αφού αποτελεί «κώδικα», γιατί να μην το βάλουμε να κάνει την δουλειά που του αντιστοιχεί; Δηλαδή να αποθηκεύει και να επεξεργάζεται data. Τα πλεονεκτήματα είναι «ασύγκριτα»: κάνει παράλληλη επεξεργασία πιο γρήγορα και από τον καλύτερο υπερ-υπολογιστή, αποθηκεύει με τέτοια πυκνότητα που τα δεδομένα των datacenter χωράνε σε μερικά ml DNA και καταναλώνει ελάχιστη έως μηδενική ενέργεια.

Οι εφαρμογές για τις οποίες προορίζονται αυτές οι νέες τεχνικές, αν και μοιάζουν αντίστοιχες με τις εφαρμογές των παραδοσιακών υπολογιστών, έχουν μεγαλύτερο εύρος και συχνά διαφορετικό πεδίο. Για παράδειγμα, η χρήση του DNA ως επεξεργαστή κλασσικών προβλημάτων των υπολογιστών είναι περιορισμένη σε ορισμένα δυσεπίλυτα προβλήματα που χρειάζονται παράλληλους υπολογισμούς. Περισσότερο επικεντρώνεται στην επεξεργασία και τους υπολογισμούς μέσα σε βιολογικά συστήματα, εκεί που δεν μπορεί να φτάσει το ηλεκτρονικό κύκλωμα – ή και αν φτάσει, δεν θα κάνει τόσο καλή δουλειά. Αντίστοιχα, η χρήση του DNA ως αποθηκευτικού χώρου δεδομένων, ενώ παίρνει τον δρόμο – και εμπορικά πλέον – της αξιοποίησης συνθετικού DNA που παράγεται σε εργαστήρια και αποθηκεύεται σε μπουκαλάκια, προορίζεται και δοκιμάζεται παράλληλα και για την αξιοποίηση του γενετικού υλικού σε ζωντανούς οργανισμούς.

Αν και μέχρι στιγμής οι εφαρμογές των DNA υπολογιστών σε ζωντανούς οργανισμούς είναι ακόμα στο επίπεδο των εργαστηριακών δοκιμών, δεν μπορούμε να είμαστε σίγουροι για το πόσο γρήγορα μπορούν να εξελιχθούν. Όμως, από την μια η ταχύτητα της «τεχνολογικής πρόοδου» και από την άλλη το πρόσφατο παράδειγμα της μαζικής επιβολής πειραματικών τεχνολογιών γενετικής μηχανικής με την πρόφαση της έκτακτης ανάγκης, μας έχει κάνει ακόμα περισσότερο καχύποπτους για τις δυνατότητες και τις προθέσεις των αφεντικών. Οι ειδικοί μιλάνε για ένα βάθος 10 ή 20 χρόνων, για να μπουν σε πρακτική εφαρμογή. Και αν ακούγονται πολλά – ή και υπερβολικά – ίσως βοηθάει να θυμηθούμε την κατάσταση πριν 20 χρόνια, τότε που το Ίντερνετ ήταν ελάχιστες στατικές ιστοσελίδες με χοντροκομμένα γραφικά και όχι Μετασύμπαν· τότε που η γενετική μηχανική ως ιατρική ήταν «μακρινό όνειρο» των βιοτεχνολόγων και όχι σωτήρια «εμβόλια».
Στην περίπτωση του συνθετικού DNA ως «σκληρού δίσκου», η κατάσταση είναι αρκετά διαφορετική, καθώς έχει μπει ήδη σε εμπορική εφαρμογή και αναμένεται να «εκτοξευτεί» στο πολύ άμεσο μέλλον. Σύμφωνα με τις προβλέψεις της αγοράς¹ «η αγορά της DNA αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων αναμένεται να αυξηθεί από τα 57,81 εκ. δολάρια το 2021 σε 1.761,49 εκ. δολάρια μέχρι το 2028. Εκτιμάται ότι θα αυξηθεί με ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 61,29% κατά την περίοδο 2021-2028. Τα προϊόντα DNA αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων μπορούν να αλλάξουν τη βιολογική έρευνα και να επηρεάσουν σημαντικά την ανθρώπινη υγεία, την ασφάλεια των τροφίμων και την περιβαλλοντική βιωσιμότητα, καθώς είναι ακριβή, σχετικά φθηνά, εύχρηστα και εξαιρετικά ισχυρά».

Οι «παίχτες» που έχουν μπει (και) σε αυτό το «παιχνίδι» είναι από εταιρίες start-up, εταιρίες με πιο βαρύ βιογραφικό, κρατικούς και διεθνής οργανισμούς υγείας και στρατιωτικούς «βραχίωνες». Η κλασική συνταγή δηλαδή, που είναι απαραίτητη για κάθε επιστημονική πρόοδο….Το link της παραπάνω έρευνας έχει μια λίστα των εταιρειών αυτών και θα σας προτείναμε να δείτε και τα αντίστοιχα site τους, για να πάρετε μια γεύση των εξελίξεων.
Επίσης, ως «πρωτογενείς και δευτερογενείς πηγές» της συγκεκριμένης έρευνας αναφέρονται: ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (WHO), το Κέντρο Ελέγχου και Πρόληψης Νοσημάτων (CDC), η Εθνική Υπηρεσία Ψηφιακής Υγείας (ANHD) και η Εθνική Στρατηγική Υγείας (NHS). Άρα μην ανησυχείτε· για το καλό της υγείας μας θα είναι…

Δεν θα επεκταθούμε στους προβληματισμούς που προκύπτουν από όλα αυτά τώρα. Για την ώρα θα παρουσιάσουμε τις γνώμες των ειδικών αντιγράφοντας από άρθρα και δημοσιεύσεις καθεστωτικών και «έγκυρων» μέσων, φτιάχνοντας μια συλλογή κειμένων που ιχνηλατεί ενδεικτικά την πορεία αυτού του πεδίου της γενετικής μηχανικής, τις τελευταίες δύο δεκαετίες.

Wintermute

DNA Computing²

Ο Leonard Adleman ζητά συγγνώμη. Σε μια ανακοίνωση που δημοσιεύει για να αποκρούσει τους δημοσιογράφους που ζητούν συνεντεύξεις, ο επιστήμονας υπολογιστών του πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνια και παγκοσμίου φήμης κρυπτογράφος που εφηύρε τον τομέα των DNA υπολογιστών ομολογεί ότι «οι DNA υπολογιστές είναι απίθανο να γίνουν αυτόνομοι ανταγωνιστές των ηλεκτρονικών υπολογιστών». Συνεχίζει, κάπως απολογητικά: «Απλώς δεν μπορούμε, αυτή τη στιγμή, να ελέγξουμε τα μόρια με την επιδεξιότητα που ελέγχουν τα ηλεκτρόνια οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί και οι φυσικοί».

Ήταν το 1994 που ο Adleman χρησιμοποίησε για πρώτη φορά το DNA, το μόριο από το οποίο αποτελούνται τα γονίδιά μας, για να λύσει μια απλή εκδοχή του προβλήματος του «ταξιδιώτη πωλητή». Σε αυτό το κλασικό αίνιγμα, ο στόχος είναι να βρεθεί η πιο αποτελεσματική διαδρομή μέσα από πολλές πόλεις και δεδομένου ότι υπάρχουν αρκετές πόλεις, το αίνιγμα μπορεί να ζορίσει ακόμη και έναν υπερυπολογιστή. Ο Adleman έδειξε ότι τα δισεκατομμύρια μόρια σε μια σταγόνα DNA περιείχαν ακατέργαστη υπολογιστική ισχύ που θα μπορούσε – ίσως θα μπορούσε – να ξεπεράσει αυτή του πυρίτιου. Αλλά από τότε, οι επιστήμονες έχουν αντιμετωπίσει σκληρά πρακτικά και θεωρητικά εμπόδια. Όπως έχουν συνειδητοποιήσει ο Adleman και άλλοι στον τομέα, μπορεί να μην υπάρξει ποτέ υπολογιστής κατασκευασμένος από DNA που να ανταγωνίζεται άμεσα τη σημερινή μικροηλεκτρονική που βασίζεται σε πυρίτιο.

Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι τα παράτησαν. Αντιθέτως. Αν και οι επιστήμονες υπολογιστών δεν έχουν βρει μια σαφή διαδρομή από τον δοκιμαστικό σωλήνα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή, αυτό που βρήκαν τους εκπλήσσει και τους εμπνέει. Ψηφιακή μνήμη σε μορφή DNA και πρωτεϊνών. Εξαιρετικά αποτελεσματικές μηχανές επεξεργασίας που περιηγούνται μέσα στο κύτταρο, κόβοντας και επικολλώντας μοριακά δεδομένα στο υλικό της ζωής. Επιπλέον, η φύση συσκευάζει όλο αυτόν τον μοριακό εξοπλισμό σε ένα βακτήριο όχι πολύ μεγαλύτερο από ένα τρανζίστορ. Με τα μάτια των επιστημόνων υπολογιστών, η εξέλιξη έχει δημιουργήσει τους μικρότερους, πιο αποτελεσματικούς υπολογιστές στον κόσμο.

Όπως το βλέπει τώρα ο Adleman, η DNA υπολογιστική είναι ένας τομέας που αφορά λιγότερο το να νικήσει το πυρίτιο και περισσότερο τους εκπληκτικούς νέους συνδυασμούς βιολογίας και επιστήμης υπολογιστών που πιέζουν τα όρια και στα δύο πεδία – μερικές φορές σε απροσδόκητες κατευθύνσεις. Οι επιστήμονες εξακολουθούν να εργάζονται σκληρά για νέους τρόπους να εκμεταλλευτούν τις εκπληκτικές ικανότητες του DNA να επεξεργάζεται αριθμούς για εξειδικευμένους τύπους εφαρμογών, όπως η κρυπτογράφηση. Αλλά πέρα από αυτό, η έμφυτη νοημοσύνη που είναι ενσωματωμένη στα μόρια του DNA θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατασκευή μικροσκοπικών, πολύπλοκων δομών· στην ουσία χρησιμοποιώντας τη λογική του υπολογιστή όχι για να υπολογίσει αριθμούς αλλά για να χτίσει πράγματα.

Μια ματιά στο μέλλον του DNA: Ο γιατρός μέσα στο σώμα³

Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει αυτό που λένε ότι θα μπορούσε να γίνει το μικρότερο ιατρικό κιτ στον κόσμο: έναν υπολογιστή, κατασκευασμένο από DNA, που μπορεί να διαγνώσει ασθένεια και να χορηγεί αυτόματα φάρμακα για τη θεραπεία της.

Ο υπολογιστής, τόσο μικρός που ένα τρισεκατομμύριο από τέτοιους θα χωρούσαν σε μια σταγόνα νερού, τώρα λειτουργεί μόνο σε δοκιμαστικό σωλήνα και μπορεί να περάσουν δεκαετίες μέχρι να είναι έτοιμος για πρακτική χρήση. Αλλά προσφέρει μια ενδιαφέρουσα ματιά στο μέλλον στο οποίο οι μοριακές μηχανές λειτουργούν μέσα στους ανθρώπους, εντοπίζοντας ασθένειες και αντιμετωπίζοντάς τες πριν καν εμφανιστούν εμφανή συμπτώματα.

«Τελικά, έχουμε αυτό το όραμα ενός γιατρού μέσα στα κύτταρα», είπε ο δρ. Ehud Shapiro του Ινστιτούτου Επιστημών Weizmann, στο Rehovot του Ισραήλ, ο οποίος ηγήθηκε της εργασίας που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο χθες από το περιοδικό Nature.

Ο ρόλος του DNA είναι να αποθηκεύει και να επεξεργάζεται πληροφορίες, τον γενετικό κώδικα. Επομένως, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για άλλες υπολογιστικές εργασίες, και οι επιστήμονες το έχουν χρησιμοποιήσει στην πραγματικότητα για να λύσουν διάφορα μαθηματικά προβλήματα. Αλλά οι ισραηλινοί επιστήμονες είπαν ότι ο δικός τους ήταν ο πρώτος DNA υπολογιστής που θα μπορούσε να έχει ιατρική χρήση.

Ο υπολογιστής, ένα υγρό διάλυμα DNA και ενζύμων, προγραμματίστηκε να ανιχνεύει το είδος του RNA που θα υπήρχε εάν συγκεκριμένα γονίδια που σχετίζονται με μια ασθένεια ήταν ενεργά.

Σε ένα παράδειγμα, ο υπολογιστής προσδιόρισε ότι δύο συγκεκριμένα γονίδια ήταν ενεργά και άλλα δύο ανενεργά, και ως εκ τούτου έκανε τη διάγνωση του καρκίνου του προστάτη. Ένα κομμάτι DNA, σχεδιασμένο να λειτουργεί ως φάρμακο παρεμβαίνοντας στη δράση ενός διαφορετικού γονιδίου, απελευθερώθηκε στη συνέχεια αυτόματα από το άκρο του DNA υπολογιστή.
Οι ειδικοί χαρακτήρισαν το έργο ευφυές αλλά τόνισαν ότι είχε γίνει σε δοκιμαστικό σωλήνα, στον οποίο προστέθηκε το RNA που αντιστοιχεί στα γονίδια της νόσου. Δεν είναι ξεκάθαρο, είπαν, αν ένας τέτοιος υπολογιστής θα μπορούσε να λειτουργήσει μέσα στα κύτταρα, όπου θα υπήρχαν πολλά κομμάτια DNA, RNA και χημικών ουσιών που θα μπορούσαν να παρέμβουν.

«Νομίζω ότι είναι πολύ κομψό – είναι σχεδόν σαν μια όμορφη μαθηματική απόδειξη», είπε ο δρ Τζορτζ Τσερτς, καθηγητής γενετικής στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ, «αλλά δεν λειτουργεί ακόμα στα ανθρώπινα κύτταρα».

Ο DNA υπολογιστής του ινστιτούτου Weizmann κωδικοποιεί τόσο το λογισμικό όσο και τα δεδομένα με τα τέσσερα γράμματα του γενετικού κώδικα, A, C, G και T. Το hardware, το τμήμα του υπολογιστή που δεν αλλάζει, είναι ένα ένζυμο που κόβει την έλικα DNA με συγκεκριμένο τρόπο.

Ο υπολογιστής είναι κατασκευασμένος από DNA διπλής έλικας, με άκρα που είναι μονής έλικας. Αυτά τα λεγόμενα κολλώδη άκρα μπορούν να συνδεθούν σε συγκεκριμένες άλλες έλικες DNA ή RNA στο διάλυμα, σύμφωνα με τους συνήθεις κανόνες του ζευγαρώματος DNA. Εάν συμβεί δέσμευση, το ένζυμο κόβει το DNA σε μια ορισμένη απόσταση, εκθέτοντας νέα κολλώδη άκρα. Εάν αυτά τα άκρα βρουν κάτι για να συνδεθούν, το ένζυμο κόβει σε άλλη θέση, και ούτω καθεξής. Εάν η αλυσιδωτή αντίδραση προχωρήσει με συγκεκριμένο τρόπο, το ένζυμο τελικά αποκόπτει το κομμάτι του DNA που λειτουργεί ως φάρμακο.

Αφού φτιαχτεί το DNA που κωδικοποιεί το πρόβλημα και μπει στον δοκιμαστικό σωλήνα, ο υπολογιστής λειτουργεί αυτόματα και φτάνει στην απάντηση μέσα σε λίγα λεπτά.

«Βασικά», λέει ο δρ Shapiro, «απλώς ρίχνουμε τα πάντα στο διάλυμα και βλέπουμε τι θα συμβεί».

Οι DNA υπολογιστές βάζουν τα βακτήρια για δουλειά⁴

Δεν είναι μια κανονική, ηλεκτρονική μηχανή με βάση το πυρίτιο, αλλά οι επιστήμονες έφτιαξαν έναν υπολογιστή από ένα μικρό κομμάτι DNA, στη συνέχεια τον εισήγαγαν σε ένα ζωντανό βακτηριακό κύτταρο και απελευθέρωσαν το μικρόβιο για να λύσουν ένα πρόβλημα μαθηματικής ταξινόμησης.

«Υπολογιστής είναι κάθε σύστημα που μπορεί να διαβάσει κάποια είσοδο και να δώσει κάποια αναγνώσιμη έξοδο», λέει η Karmella Haynes, βιολόγος στο Davidson College στη Βόρεια Καρολίνα και συν-συγγραφέας μιας νέας μελέτης που δημοσιεύεται στο Journal of Biological Engineering. Η Haynes και η ομάδα της προσπάθησαν να εκμεταλλευτούν την δύναμη του ανασυνδυασμού DNA για να λύσουν το λεγόμενο «πρόβλημα της καμένης τηγανίτας»: ένα παζλ σχετικά με το πώς μπορούν να στοιβαχθούν τηγανίτες διαφορετικού μεγέθους που είναι καμμένες από τη μία πλευρά και τέλεια τηγανισμένες στην άλλη, χρησιμοποιώντας τον λιγότερο αριθμό από περιστροφές, για να τοποθετηθούν έτσι ώστε οι μεγαλύτερες να βρίσκονται στο κάτω μέρος και όλες να έχουν την καλή πλευρά προς τα πάνω.

«Αυτή η εργασία είναι η πρώτη εργασία που έχω συναντήσει και η οποία χρησιμοποιεί ζωντανά κύτταρα για να λύσει ένα συγκεκριμένο πρόβλημα επιστήμης των υπολογιστών», λέει ο Tom Ran, μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του επιστήμονα υπολογιστών Ehud Shapiro στο Ινστιτούτο Weizmann στο Rehovot του Ισραήλ.

Δείχνοντας ότι το DNA που λειτουργεί ως υπολογιστής θα μπορούσε να λύσει «το πρόβλημα της καμένης τηγανίτας», η Haynes και η ομάδα της απέδειξαν ότι εάν το σύστημά τους μπορούσε να κλιμακωθεί, θα μπορούσε να βρει απαντήσεις σε περίπλοκα προβλήματα όπως οι πιο αποτελεσματικές αεροπορικές διαδρομές μεταξύ Σικάγο και Σιγκαπούρης ή τον βέλτιστο τρόπος δρομολόγησης των τηλεφωνικών κλήσεων στις ΗΠΑ – αινίγματα με τα οποία εταιρείες όπως η FedEx και η AT&T αντιμετωπίζουν εδώ και χρόνια – σε ένα κλάσμα του χρόνου που χρειάζονται οι συμβατικοί υπολογιστές. Οι ερευνητές έχουν οραματιστεί τη χρήση DNA υπολογιστών για πολλές άλλες εφαρμογές, όπως έναν τρόπο ανίχνευσης αλλαγών σε ζωντανά συστήματα – όπως ο καρκίνος μέσα στο σώμα ή η εξάπλωση των ρύπων σε μια λίμνη.

«Οι DNA υπολογιστές μπορεί να είναι σε θέση να επιτύχουν πράγματα που οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές δεν μπορούν», λέει ο Len Adleman, μοριακός επιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια. «Για παράδειγμα, είναι πολύ δύσκολο να σκεφτούμε πώς θα μπορούσε να μπει ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής με βάση το πυρίτιο σε ένα βακτηριακό κύτταρο».

DNA: Ο απόλυτος σκληρός δίσκος⁵

Όσον αφορά την αποθήκευση πληροφοριών, οι σκληροί δίσκοι δεν πλησιάζουν καν το DNA. Ο γενετικός μας κώδικας συσκευάζει δισεκατομμύρια gigabyte σε ένα μόνο γραμμάριο. Ένα απλό χιλιοστόγραμμο του μορίου θα μπορούσε να κωδικοποιήσει το πλήρες κείμενο κάθε βιβλίου στη βιβλιοθήκη του Κογκρέσου και να έχει άφθονο χώρο ακόμα. Όλα αυτά ήταν ως επί το πλείστον θεωρητικά – μέχρι τώρα. Σε μια νέα μελέτη, οι ερευνητές αποθήκευσαν ένα ολόκληρο εγχειρίδιο γενετικής σε λιγότερο από ένα πικογραμμάριο DNA – ένα τρισεκατομμυριοστό του γραμμαρίου – μια πρόοδος που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην ικανότητά μας να αποθηκεύουμε δεδομένα.
Μερικές ομάδες προσπάθησαν να γράψουν δεδομένα στα γονιδιώματα των ζωντανών κυττάρων. Αλλά η προσέγγιση έχει μερικά μειονεκτήματα. Πρώτον, τα κύτταρα πεθαίνουν – καθόλου καλός τρόπος για να χάσετε τις εργασίες σας. Επίσης, αναπαράγονται, εισάγοντας νέες μεταλλάξεις με την πάροδο του χρόνου που μπορούν να αλλοιώσουν τα δεδομένα.

Για να ξεπεράσει αυτά τα προβλήματα, μια ομάδα με επικεφαλής τον George Church, έναν συνθετικό βιολόγο στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ στη Βοστώνη, δημιούργησε ένα σύστημα αρχειοθέτησης πληροφοριών DNA που δεν χρησιμοποιεί καθόλου κύτταρα. Αντίθετα, ένας εκτυπωτής inkjet ενσωματώνει μικρά θραύσματα χημικά συντιθέμενου DNA στην επιφάνεια ενός μικροσκοπικού γυάλινου τσιπ. Για να κωδικοποιήσουν ένα ψηφιακό αρχείο, οι ερευνητές το χωρίζουν σε μικροσκοπικά μπλοκ δεδομένων και μετατρέπουν αυτά τα δεδομένα, όχι στα 1 και 0 των τυπικών ψηφιακών μέσων αποθήκευσης, αλλά στην αλφάβητο των τεσσάρων γραμμάτων του DNA των A, C, G και T. Κάθε κομμάτι DNA περιέχει επίσης έναν ψηφιακό barcode που καταγράφει τη θέση του στο αρχικό αρχείο. Η ανάγνωση των δεδομένων απαιτεί έναν προσδιοριστή αλληλουχίας DNA και έναν υπολογιστή για να επανασυναρμολογήσει όλα τα κομμάτια με τη σειρά και να τα μετατρέψει ξανά σε ψηφιακή μορφή. Ο υπολογιστής διορθώνει επίσης τα σφάλματα. Κάθε μπλοκ δεδομένων αναπαράγεται χιλιάδες φορές, έτσι ώστε να μπορεί να εντοπιστεί και να διορθωθεί, συγκρίνοντάς το με τα άλλα αντίγραφα.

Για να δείξει το σύστημά της σε δράση, η ομάδα χρησιμοποίησε τα τσιπ DNA για να κωδικοποιήσει ένα βιβλίο γενετικής που συνέταξε ο Church. Δούλεψε. Μετά τη μετατροπή του βιβλίου σε DNA και τη μετάφρασή του σε ψηφιακή μορφή, το σύστημα της ομάδας είχε ένα πρωτοφανές ποσοστό σφάλματος μόνο δύο σφαλμάτων ανά εκατομμύριο bit, που ισοδυναμούσε με μερικά τυπογραφικά λάθη ενός γράμματος. Αυτό είναι στο ίδιο επίπεδο με τα DVD και πολύ καλύτερο από τους μαγνητικούς σκληρούς δίσκους. Και λόγω του μικροσκοπικού τους μεγέθους, τα τσιπ DNA είναι πλέον το μέσο αποθήκευσης με την υψηλότερη γνωστή πυκνότητα πληροφοριών, αναφέρουν οι ερευνητές στο διαδίκτυο σήμερα στο Science.

Ωστόσο, μην αντικαταστήσετε ακόμα τον σκληρό δίσκο σας με γενετικό υλικό. Το κόστος του αναλυτή αλληλουχίας DNA και άλλων οργάνων «το καθιστά επί του παρόντος μη πρακτικό για γενική χρήση…», λέει ο Daniel Gibson, συνθετικός βιολόγος στο Ινστιτούτο J. Craig Venter στο Rockville, Maryland, «…αλλά το πεδίο κινείται γρήγορα και η τεχνολογία θα είναι σύντομα φθηνότερη, ταχύτερη και μικρότερη».

Τι μπορούν να κάνουν οι υπολογιστές DNA;⁶

Για περισσότερα από 20 χρόνια, οι ερευνητές έχουν εξερευνήσει πώς το DNA θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως υλικό για υπολογιστές. Ακούγεται πολλά υποσχόμενο λόγω της απίστευτης πυκνότητας των δεδομένων στο DNA: αποθηκεύει όλες τις πληροφορίες και τις οδηγίες που απαιτούνται για την κατασκευή και την λειτουργία ενός ανθρώπινου σώματος. Μερικοί ερευνητές κατάφεραν να κωδικοποιήσουν μεγάλα κείμενα στο DNA. άλλοι έχουν χρησιμοποιήσει το μόριο για να δημιουργήσουν απλές λογικές πύλες και κυκλώματα, τα βασικά δομικά στοιχεία των υπολογιστών. Αλλά η χρήση του DNA με αυτόν τον τρόπο είναι αδικαιολόγητα αργή για τα είδη των εργασιών που περιμένουμε να κάνουν οι υπολογιστές. Πιθανότατα, ο υπολογισμός του DNA θα αξιοποιηθεί για να λειτουργεί μέσα στα ζωντανά κύτταρα και να συνδυαστεί με τον υπάρχοντα μηχανισμό τους, καθιστώντας δυνατές νέες μεθόδους ανίχνευσης και θεραπείας ασθενειών.

Οι παραδοσιακοί υπολογιστές χρησιμοποιούν μια σειρά από λογικές πύλες που μετατρέπουν διαφορετικές εισόδους σε προβλέψιμη έξοδο. Για παράδειγμα, ένα τρανζίστορ ενεργοποιείται ή απενεργοποιείται από την είσοδο υψηλής ή χαμηλής τάσης. Με το DNA, ο τρόπος με τον οποίο τα μόρια μπορούν να ενεργοποιηθούν για να συνδεθούν μεταξύ τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός κυκλώματος λογικών πυλών σε δοκιμαστικούς σωλήνες. Σε μια μέθοδο, που ονομάζεται μετατόπιση έλικας DNA, η είσοδος του DNA που συνδέεται με μια λογική πύλη DNA μετατοπίζει μια έλικα DNA που χρησιμεύει ως έξοδος. Πολλές πύλες μπορούν να συνδυαστούν σε ένα κύκλωμα: κάθε DNA εξόδου θα δεσμευτεί στην επόμενη λογική πύλη έως ότου ελευθερωθεί κάποια προβλέψιμη τερματική έλικα εξόδου. (Οι επιστήμονες μπορούν να κάνουν την τερματική έλικα να φωσφορίζει ώστε να μπορεί να διαβαστεί εύκολα.)
Σε μια άλλη μέθοδο, το DNA εισόδου μπορεί να συνδεθεί σε μια λογική πύλη DNA και να ενεργοποιήσει ένζυμα που προκύπτουν στη φύση, όπως πολυμεράσες και νουκλεάσες για να κόψουν τις έλικες DNA. Αυτά μπορούν στη συνέχεια να συνδεθούν με άλλες έλικες σε μια συνεχή σειρά αντιδράσεων ή να εμφανίσουν φθορίζον σήμα εξόδου.

Ερευνητές στο Ισραήλ έδειξαν πέρυσι ότι οι λογικές πύλες του DNA μπορούν επίσης να λειτουργήσουν μέσα σε ζωντανούς οργανισμούς – συγκεκριμένα στις κατσαρίδες. Οι ερευνητές δημιούργησαν DNA διπλωμένο σαν origami για να φτιάξουν αυτό που αποκαλούσαν ρομπότ νανοκλίμακας. Τα νανορομπότ λειτουργούν ως η έλικα εισόδου στην υπολογιστική ακολουθία: συνδέονται με λογικές πύλες DNA, μια διαδικασία που αλλάζει το σχήμα των ρομπότ έτσι ώστε να εκθέσουν το ωφέλιμο φορτίο τους. Το ωφέλιμο φορτίο μπορεί να είναι ένα μόριο όπως μια σύντομη αλληλουχία DNA, ένα αντίσωμα ή ένα ένζυμο. Εάν το ωφέλιμο φορτίο μπορεί να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει ένα δεύτερο ρομπότ, αυτό θα δημιουργήσει ένα κύκλωμα μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο.

Άλλοι ερευνητές έχουν επίσης δείξει, σε πρώιμες εργασίες, πώς οι υπολογιστές DNA μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εξαιρετικά ακριβή ανίχνευση καρκίνων. Θα το έκαναν αυτό δημιουργώντας μια συγκεκριμένη έξοδο εάν ένα κύτταρο εκφράζει πάρα πολύ από ένα συγκεκριμένο γονίδιο ή έχει συγκεκριμένες αλληλουχίες microRNA.
Ο υπολογισμός με βάση το DNA απαιτεί κάτι σαν μια νέα γλώσσα προγραμματισμού. Στα αρχικά πειράματα χρησιμοποιήθηκαν μοντέλα των αντιδράσεων που συμβαίνουν με ένα δεδομένο σύνολο συστατικών. Η Microsoft ανέπτυξε έκτοτε μια γλώσσα που ονομάζει «DNA Strand Displacement Tool», η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχεδιάσει τις ακολουθίες DNA που απαιτούνται για την εκτέλεση κυκλωμάτων και να μοντελοποιήσει το πώς θα συμβούν οι αντιδράσεις σε κάθε κύκλωμα.
Η τεχνολογία υπολογισμού DNA είναι απίθανο να αντικαταστήσει τους συμβατικούς υπολογιστές πυριτίου. Όμως μέσα σε πέντε έως δέκα χρόνια οι υπολογιστές που βασίζονται σε DNA θα μπορούσαν να ελεγχθούν για ιατρικές εφαρμογές.

Mεγάλο άλμα από την Microsoft⁷

Μοιάζει με δοκιμαστικό σωλήνα με αποξηραμένο αλάτι στο κάτω μέρος, αλλά η Microsoft λέει ότι θα μπορούσε να είναι το μέλλον της αποθήκευσης δεδομένων. Η εταιρεία ανέφερε σήμερα ότι είχε γράψει περίπου 200 megabytes δεδομένων, συμπεριλαμβανομένων του «Πόλεμος και Ειρήνη» και 99 άλλων κλασικών λογοτεχνικών έργων, στο DNA. Eρευνητές έχουν αποδείξει ότι τα ψηφιακά δεδομένα μπορούν να αποθηκευτούν στο DNA στο παρελθόν, αλλά η Microsoft λέει ότι κανένας δεν έχει γράψει τόσα πολλά στο DNA ταυτόχρονα.
«Η εταιρεία ενδιαφέρεται να μάθει εάν μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα σύστημα που να αποθηκεύει πληροφορίες, να είναι αυτοματοποιημένο και να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εμπορική χρήση, με βάση το DNA», λέει η Karin Strauss, επικεφαλής ερευνήτρια της Microsoft στο έργο, στο οποίο συμμετέχουν επίσης ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον.

Η IDC προβλέπει ότι το σύνολο των αποθηκευμένων ψηφιακών δεδομένων παγκοσμίως θα φτάσει τα 16 τρισεκατομμύρια gigabyte το επόμενο έτος, τα περισσότερα από αυτά θα στεγάζονται σε τεράστια datacenter. H Strauss εκτιμά ότι ένα κουτί παπουτσιών με DNA θα μπορούσε να χωρέσει το ισοδύναμο περίπου 100 datacenter.

Ο Reinhard Heckel, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, ο οποίος έχει εργαστεί στον τρόπο αποθήκευσης δεδομένων στο DNA, το αποκαλεί αυτό «εντυπωσιακό». Αλλά λέει ότι το μεγαλύτερο εμπόδιο για να γίνει χρήσιμη η αποθήκευση δεδομένων στο DNA είναι το κόστος, επειδή η κατασκευή προσαρμοσμένων μορίων DNA είναι ακριβή. «Για να το χρησιμοποιήσουν οι άνθρωποι πραγματικά, πρέπει γίνει φθηνότερο από την μαγνητική ταινία, και αυτό θα είναι δύσκολο».
Η Microsoft δεν αποκαλύπτει λεπτομέρειες για το πόσα ξόδεψε για να δημιουργήσει την αποθήκευση δεδομένων DNA των 200 megabyte, η οποία απαιτούσε περίπου 1,5 δισεκατομμύριο βάσεις. Αλλά η Twist Bioscience, η οποία συνέθεσε το DNA, χρεώνει συνήθως 10 σεντς για κάθε βάση. Η σύνθεση DNA που διατίθεται στο εμπόριο μπορεί να κοστίσει μόλις 0,04 σεντς ανά βάση. Η ανάγνωση ενός εκατομμυρίου βάσεων DNA κοστίζει περίπου 1 σεντ.

H Strauss είναι πεπεισμένη ότι το κόστος ανάγνωσης και γραφής DNA θα μειωθεί σημαντικά τα επόμενα χρόνια. Λέει ότι υπάρχουν ήδη ενδείξεις ότι μειώνονται ταχύτερα από το κόστος κατασκευής τρανζίστορ τα τελευταία 50 χρόνια, μια τάση που υπήρξε η κινητήρια δύναμη πολλών καινοτομιών στους υπολογιστές. Kόστιζε περίπου 10 εκ. δολάρια για την ανάγνωση της αλληλουχίας ενός ανθρώπινου γονιδιώματος το 2007, αλλά κοντά στα 1.000 δολάρια το 2015.

«Μπορείς να γίνεις το ιατρικό σου ιστορικό»⁸

Αντί για έναν συνεχώς αυξανόμενο αριθμό τεράστιων datacenter, που το καθένα καταναλώνει μεγάλες ποσότητες ενέργειας, είναι ωραίο να φανταστούμε έναν μικρό αριθμό datacenter από διαμάντια ή DNA. Είναι κυριολεκτικά πιθανό ότι θα μπορούσε ο καθένας μας κάποια μέρα να κουβαλάει μαζί του το δικό του datacenter.

Φαίνεται πολύ πιθανό ότι, εντός του ορατού μέλλοντος, θα μπορείτε να αναλύετε την αλληλουχία του DNA σας σε σχεδόν πραγματικό χρόνο, να την αναλύετε για ελαττώματα/μεταλλάξεις και να έχετε θεραπείες ειδικά προσαρμοσμένες στα αποτελέσματά σας – ενδεχομένως ακόμη και να επεξεργαστείτε τα γονίδια/DNA σας. Αυτός είναι άλλωστε και ο στόχος της «εξατομικευμένης ιατρικής» (Precision Medicine).

Αυτό που θα το έκανε ακόμα πιο κουλ είναι ότι, καθώς διαβάζουμε το DNA σας, διαβάζεται επίσης ολόκληρο το ιατρικό ιστορικό σας – ίσως από το cloud, αλλά ίσως και από συνθετικό DNA που θα έχετε εμφυτεύσει ή ακόμα και από το δικό σας DNA, αν αρχίσουμε να γράφουμε απευθείας σε αυτό. Και φυσικά, αυτά τα αρχεία DNA θα ενημερώνονται επίσης σε σχεδόν πραγματικό χρόνο.

Αυτό και αν είναι κατοχή των δικών σας δεδομένων!

DNA υπολογιστές ενάντια σε ιούς⁹

Μην το πάρετε στραβά, αλλά είστε απλώς data. Τα γονίδια σας έχτισαν, από τις άκρες των ποδιών σας μέχρι την κορυφή του κεφαλιού σας. Υπό αυτή την έννοια, δεν είστε διαφορετικοί από έναν υπολογιστή: Ο κώδικας παράγει την έξοδο που είναι το σώμα σας.

Στην πραγματικότητα, τις τελευταίες δύο δεκαετίες, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν το πραγματικό DNA σαν να ήταν κυριολεκτικός κώδικας, μια διαδικασία που ονομάζεται DNA υπολογιστική (DNA computing), για να κάνουν πράγματα όπως τον υπολογισμό τετραγωνικών ριζών. Σήμερα, οι ερευνητές αναφέρουν στο περιοδικό Nature Communications ότι έχουν αναπτύξει DNA που ανιχνεύει αντισώματα – τους στρατιώτες που παράγει το σώμα σας για να καταπολεμήσει τους ιούς και τα σχετικά – εκτελώντας μια ακολουθία μοριακών οδηγιών. Κάποια μέρα, οι ίδιοι υπολογισμοί θα μπορούσαν να απελευθερώσουν αυτόματα φάρμακα ως απόκριση σε λοιμώξεις.

[…]

Σίγουρα, μπορείτε να κάνετε εξετάσεις αίματος για αντισώματα. Αυτός είναι ο παλιομοδίτικος τρόπος. Η ιδέα εδώ είναι να χρησιμοποιήσουμε μια μέρα την DNA υπολογιστική ως ένα μόνιμο όργανο ελέγχου για αντισώματα. Θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε αυτή τη ρύθμιση για να δημιουργήσετε νανοκάψουλες DNA που θα μεταφέρουν φάρμακα. «Το DNA που παράγει ο DNA υπολογιστής μας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ξεκλειδώσει αυτήν την νανοκάψουλα», λέει ο Maarten Merkx (βιοχημικός στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Αϊντχόβεν στην Ολλανδία και ο κύριος συγγραφέας στη νέα έρευνα). Η ομάδα του εξέταζε συγκεκριμένα ιούς όπως η γρίπη και ο ιός HIV, οπότε ίσως το «πακέτο» θα μπορούσε να μεταφέρει περισσότερα αντι-ιϊκά αντισώματα.

Η μελέτη αντιπροσωπεύει επίσης ένα άλμα στον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί η DNA υπολογιστική γενικά. «Προσφέρει σίγουρα ένα άλλο εργαλείο στην εργαλειοθήκη όσων θέλουν να σχεδιάσουν σύνθετες στρατηγικές υπολογισμών», λέει ο Philip Santangelo, βιομηχανικός της Georgia Tech που δεν συμμετείχε στην έρευνα. «Θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε πρωτεΐνες και ένζυμα για να δημιουργήσετε αρχιτεκτονικές υπολογιστών που χρησιμοποιούν πολλά βιομόρια, όχι μόνο DNA». Περισσότερη πολυπλοκότητα σημαίνει μεγαλύτερη ακρίβεια και ποιότητα στα είδη των προγραμμάτων που μπορούν να εκτελέσουν οι επιστήμονες.
Σίγουρα, μπορεί να είστε απλώς data. Αλλά στα σωστά χέρια, αυτά τα data θα μπορούσαν μια μέρα να κάνουν θαύματα για την ιατρική.

H DARPA «εξερευνεί τις ευκαιρίες»¹⁰

Καθώς αυξάνεται η πολυπλοκότητα και ο όγκος των παγκόσμιων ψηφιακών δεδομένων, αυξάνεται και η ανάγκη για πιο ικανά και συμπαγή μέσα επεξεργασίας και αποθήκευσης δεδομένων. Για να αντιμετωπίσει αυτή την πρόκληση, η DARPA ανακοίνωσε το πρόγραμμα Μοριακής Πληροφορικής, το οποίο αναζητά ένα νέο παράδειγμα για την αποθήκευση, την ανάκτηση και την επεξεργασία δεδομένων. Αντί να βασίζεται στη δυαδική ψηφιακή λογική των υπολογιστών που βασίζεται στην αρχιτεκτονική Von Neumann, η Molecular Informatics στοχεύει να διερευνήσει και να εκμεταλλευτεί το ευρύ φάσμα δομικών χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων των μορίων για την κωδικοποίηση και το χειρισμό δεδομένων.

«Η Χημεία προσφέρει ένα πλούσιο σύνολο ιδιοτήτων που μπορεί να είμαστε σε θέση να αξιοποιήσουμε για γρήγορη, επεκτάσιμη αποθήκευση και επεξεργασία πληροφοριών», δήλωσε η Anne Fischer, υπεύθυνη προγράμματος στο Γραφείο Επιστημών Άμυνας της DARPA. «Εκατομμύρια μόρια υπάρχουν και κάθε μόριο έχει μια μοναδική τρισδιάστατη ατομική δομή καθώς και μεταβλητές όπως το σχήμα, το μέγεθος ή ακόμα και το χρώμα. Αυτός ο πλούτος παρέχει έναν τεράστιο χώρο σχεδιασμού για την εξερεύνηση καινοτόμων και πολλαπλών τρόπων κωδικοποίησης και επεξεργασίας δεδομένων πέρα από τα 0 και 1 των σημερινών ψηφιακών αρχιτεκτονικών».

Η CRISPR «βγάζει τα κύτταρα στον κινηματογράφο»¹¹

Οι ερευνητές αναπτύσσουν τρόπους για να αξιοποιήσουν το DNA, το αποτύπωμα της βιολογικής ζωής, ως συνθετική πρώτη ύλη για την αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ψηφιακών πληροφοριών έξω από ζωντανά κύτταρα, χρησιμοποιώντας ακριβά μηχανήματα. Αλλά, τι θα γινόταν αν μπορούσαν να εξαναγκάσουν τα ζωντανά κύτταρα, όπως μεγάλους πληθυσμούς βακτηρίων, να χρησιμοποιήσουν το δικό τους γονιδίωμα ως βιολογικό σκληρό δίσκο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την καταγραφή πληροφοριών και στη συνέχεια να αξιοποιηθούν αυτές ανά πάσα στιγμή; Μια τέτοια προσέγγιση θα μπορούσε όχι μόνο να ανοίξει εντελώς νέες δυνατότητες αποθήκευσης δεδομένων, αλλά και να κατασκευαστεί περαιτέρω σε μια αποτελεσματική συσκευή μνήμης που μπορεί να καταγράφει τις μοριακές εμπειρίες που έχουν τα κύτταρα κατά την ανάπτυξή τους ή την έκθεση σε στρες και παθογόνα με χρονολογική σειρά.

Το 2016, μια ομάδα του Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering και της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ (HMS) με επικεφαλής τον George Church, μέλος της σχολής Wyss Core, κατασκεύασε τον πρώτο μοριακό καταγραφέα που βασίζεται στο σύστημα CRISPR, το οποίο επιτρέπει στα κύτταρα να αποκτούν DNA πληροφορίες με χρονολογική σειρά, για τη δημιουργία μιας ανάμνησής τους στο γονιδίωμα βακτηρίων ως κυτταρικό μοντέλο. Οι πληροφορίες, που είναι αποθηκευμένες ως μια σειρά ακολουθιών στο CRISPR, μπορούν να ανακληθούν και να χρησιμοποιηθούν για την ανακατασκευή ενός χρονολόγιου γεγονότων. Ωστόσο, «όσο υποσχόμενο κι αν ήταν αυτό, δεν ξέραμε τι θα συνέβαινε όταν θα προσπαθούσαμε να παρακολουθήσουμε περίπου εκατό ακολουθίες ταυτόχρονα ή αν θα λειτουργούσε τελικά. Αυτό ήταν κρίσιμο, δεδομένου ότι στοχεύουμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το σύστημα για να καταγράψουμε πολύπλοκα βιολογικά συμβάντα», δήλωσε ο Seth Shipman, μεταδιδακτορικός συνεργάτης που συνεργάζεται με τον Church.

Τώρα, σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature, η ίδια ομάδα δείχνει σε θεμελιώδη πειράματα απόδειξης ότι το σύστημα CRISPR, που αναπτύχθηκε περαιτέρω ως μια πρώτη στο είδος του προσέγγιση, είναι σε θέση να κωδικοποιεί πληροφορίες τόσο περίπλοκες όσο μια ψηφιοποιημένη εικόνα ενός ανθρώπινου χεριού και μια από τις πρώτες κινηματογραφικές ταινίες που έγιναν ποτέ, αυτή ενός αλόγου που καλπάζει, σε ζωντανά κύτταρα.

«Σε αυτή τη μελέτη, δείχνουμε ότι δύο πρωτεΐνες του συστήματος CRISPR, η Cas1 και η Cas2, που τις έχουμε μετατρέψει σε ένα εργαλείο μοριακής καταγραφής, μαζί με μια νέα κατανόηση των απαιτήσεων αλληλουχίας για βέλτιστους διαχωριστές, επιτρέπουν μια σημαντικά αυξημένη δυνατότητα απόκτησης “αναμνήσεων” και απόθεσή τους στο γονιδίωμα – ως πληροφορίες που μπορούν να παρέχονται εξωτερικά από ερευνητές ή που στο μέλλον θα μπορούσαν να δημιουργηθούν από τις “φυσικές εμπειρίες” των κυττάρων», δήλωσε ο Church, ο οποίος είναι επίσης καθηγητής γενετικής στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και Καθηγητής Επιστημών και Τεχνολογίας Υγείας στο Χάρβαρντ και στο MIT. «Αξιοποιημένη περαιτέρω, αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να παρουσιάσει έναν τρόπο να παρακινηθούν διαφορετικοί τύποι ζωντανών κυττάρων στα φυσικά περιβάλλοντά τους ώστε να καταγράφουν τις διαμορφωτικές αλλαγές που υφίστανται, σε ένα συνθετικά δημιουργημένο χώρο μνήμης στο γονιδίωμά τους».

[…]

Σε μελλοντικές εργασίες, η ομάδα θα επικεντρωθεί στην εγκατάσταση συσκευών μοριακής καταγραφής σε άλλους τύπους κυττάρων και στην περαιτέρω μηχανική του συστήματος έτσι ώστε να μπορεί να απομνημονεύει βιολογικές πληροφορίες. «Μια μέρα, ίσως να μπορέσουμε να ακολουθήσουμε όλες τις αναπτυξιακές αποφάσεις που παίρνει ένας διαφοροποιητικός νευρώνας, από το στάδιο του πρώιμου βλαστοκύτταρου μέχρι αυτό του εξαιρετικά εξειδικευμένου τύπου κυττάρου στον εγκέφαλο. Αυτό θα μας οδηγήσει σε μια καλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο “χορογραφούνται” οι βασικές βιολογικές και αναπτυξιακές διαδικασίες», είπε ο Shipman, ο οποίος, εκτός από τον Church, έχει επίσης καθοδηγητή τον νευροβιολόγο και συν-συγγραφέα Jeffrey Macklis, καθηγητή Επιστημών Ζωής και καθηγητή Βλαστοκυττάρων και Αναγεννητικής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Μόλις προσαρμοστεί σε συγκεκριμένα παραδείγματα, αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε καλύτερες μεθόδους για τη δημιουργία κυττάρων για αναγεννητική θεραπεία, μοντελοποίηση ασθενειών και δοκιμές φαρμάκων.

«Αυτή η πρωτοποριακή τεχνολογία προάγει τον τομέα της αποθήκευσης πληροφοριών με βάση το DNA, αξιοποιώντας τον βιολογικό μηχανισμό των ζωντανών κυττάρων για την καταγραφή, την αρχειοθέτηση και τη διάδοση αυτών των πληροφοριών, επιπλέον της παροχής ενός νέου τρόπου μελέτης των δυναμικών βιολογικών και αναπτυξιακών διεργασιών μέσα στο ζωντανό σώμα. Είναι ένα ακόμη παράδειγμα βιοεμπνευσμένης μηχανικής στα καλύτερά της», δήλωσε ο ιδρυτικός διευθυντής του Ινστιτούτου Wyss, Donald Ingbe, ο οποίος είναι επίσης καθηγητής Αγγειακής Βιολογίας του Judah Folkman στο HMS και του Προγράμματος Αγγειακής Βιολογίας στο Νοσοκομείο Παίδων της Βοστώνης, καθώς και Καθηγητής Βιομηχανικής στο SEAS.

Μπορούμε να κωδικοποιήσουμε ιατρικά αρχεία στο DNA μας;¹²

Το 1878, μια σειρά από φωτογραφίες ενός αναβάτη στο άλογό του που καλπάζει μετατράπηκε στην πρώτη κινηματογραφική ταινία με τίτλο «The Galloping Horse». Πρόσφατα, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ μπόρεσαν να αναδημιουργήσουν αυτήν την κλασική κινούμενη εικόνα στο DNA του βακτηρίου E. coli. Σωστά. Κωδικοποίησαν μια ταινία σε βακτήρια.

Εικόνες και άλλες πληροφορίες έχουν ήδη κωδικοποιηθεί σε βακτήρια εδώ και χρόνια. Ωστόσο, οι ερευνητές του Χάρβαρντ έκαναν ένα βήμα παραπέρα με το εργαλείο επεξεργασίας γονιδίων CRISPR-Cas. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει στα κύτταρα να συλλέγουν πληροφορίες κωδικοποιημένες από το DNA, με χρονολογική σειρά, ώστε να μπορούν να δημιουργήσουν μια μνήμη ή μια εικόνα, όπως ακριβώς κάνει μια κινηματογραφική κάμερα. […] Το έργο τους αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να μελετηθούν πολύπλοκα συστήματα στη βιολογία. Οι ερευνητές ελπίζουν με την πάροδο του χρόνου οι καταγραφείς να γίνουν πρότυπο σε όλη την πειραματική βιολογία.

[…]

Ο Jeff Nivala, ερευνητής στο τμήμα γενετικής στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ, πιστεύει ότι οι ερευνητές μπορούν τώρα να αναζητήσουν νέους τρόπους χρήσης της τεχνολογίας, όπως ο προγραμματισμός των βακτηρίων του εντέρου για την καταγραφή πληροφοριών σχετικά με τη διατροφή ή την υγεία σας. «Ο γιατρός σας θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει αυτά τα δεδομένα για τη διάγνωση και την παρακολούθηση μιας νόσου», είπε ο Nivala.

Ενώ ο Nivala πιστεύει ότι οι μικροσκοπικές κάμερες που θα κάνουν “σερφ” στο σώμα και τον εγκέφαλό μας θα γίνουν πραγματικότα στο μέλλον, λέει ότι αυτό μπορεί να είναι λίγο μακριά. Ειδικά δεδομένου ότι η κατασκευή μηχανών σε μοριακή κλίμακα είναι μια πρόκληση. «Ρεαλιστικά, μάλλον απέχουμε πολύ από το να καταγράφει κάθε κύτταρο στον εγκέφαλο τη συναπτική του δραστηριότητα», είπε. «Το σύστημα CRISPR-Cas είναι προκαρυωτικό, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχουν ορισμένες προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν κατά τη μεταφορά αυτών των γονιδίων σε κύτταρα θηλαστικών, ιδιαίτερα όταν δεν γνωρίζουμε ακριβώς πώς λειτουργεί κάθε μέρος του συστήματος CRISPR-Cas στα βακτήρια».

Ωστόσο, πιστεύει ότι όταν συμβεί αυτό θα οφείλεται στη συνένωση της βιολογίας και της τεχνολογίας. «Πόσο μικρή μπορούμε να φτιάξουμε μια ψηφιακή συσκευή εγγραφής χρησιμοποιώντας συμβατικά υλικά όπως μέταλλο, πλαστικό και πυρίτιο; Η απάντηση είναι ότι δεν είμαστε καν κοντά στο να επιτύχουμε την ακρίβεια και την λεπτότητα με την οποία η βιολογία μπορεί να κατασκευάσει συσκευές νανοκλίμακας», είπε ο Nivala. Αλλά δεν πρέπει να νιώθουμε άσχημα για αυτό, πρόσθεσε. «Η φύση είχε μόνο μερικά δισεκατομμύρια χρόνια προβάδισμα. Γι’ αυτό οι μηχανικοί στρέφονται τώρα στη βιολογία για νέους τρόπους να κατασκευάσουν τα πράγματα σε μοριακή κλίμακα. Και όταν χτίζετε τεχνολογία από βιολογία, τότε είναι πολύ πιο εύκολο να διασυνδέεστε και να συνδεθείτε με φυσικά βιολογικά συστήματα», είπε ο Nivala. Είναι βέβαιος ότι αυτή η τρέχουσα εργασία θέτει τα θεμέλια για ένα σύστημα βιολογικής καταγραφής βασισμένο σε κύτταρα που μπορεί να συνδυαστεί με αισθητήρες που επιτρέπουν στο σύστημα να ανιχνεύει οποιοδήποτε σχετικό βιομόριο.

Θα μπορούσαν όλα αυτά να οδηγήσουν σε κωδικοποίηση πληροφοριών στο DNA μας, όπως τα ιατρικά μας αρχεία ή τον αριθμό Κοινωνικής Ασφάλισης ή τα στοιχεία της πιστωτικής μας κάρτας;

Σε έναν βαθμό, αυτό συμβαίνει ήδη στην εταιρεία μηχανών αυτόματης πώλησης Three Square Market, στο Ουισκόνσιν. Περίπου 50 από τους υπαλλήλους της εταιρείας αποδέχθηκαν την πρόταση του εργοδότη τους να εμφυτευτεί στα χέρια τους ένα ηλεκτρομαγνητικό μικροτσίπ. Μπορούν να το χρησιμοποιήσουν για να αγοράσουν φαγητό στη δουλειά, να συνδεθούν στους υπολογιστές τους και να λειτουργήσουν τον εκτυπωτή. Έχει το μέγεθος ενός κόκκου ρυζιού και είναι παρόμοιο με τα τσιπ που εμφυτεύονται σε κατοικίδια για σκοπούς αναγνώρισης και παρακολούθησης. Ωστόσο, αυτό το τσιπ έχει απόσταση λειτουργίας μόλις 6 ίντσες. Η BioHax International, ο σουηδός κατασκευαστής του τσιπ, θέλει να χρησιμοποιήσει τελικά το τσιπ για ευρύτερες εμπορικές εφαρμογές.

Αυτή είναι μόνο η αρχή των πιθανοτήτων, σύμφωνα με τον Nivala, ο οποίος πιστεύει ότι μια μέρα τα πιο σημαντικά δεδομένα μας θα αποθηκευτούν στο κυτταρικό μας DNA. «Κατά κάποιον τρόπο, μερικά από αυτά είναι ήδη. Το γονιδίωμά μας είναι πολύ σημαντικό. Φανταστείτε όμως να μπορούσαμε να αποθηκεύσουμε όλο το οικογενειακό μας ιατρικό ιστορικό, τις φωτογραφίες και τα οικογενειακά βίντεο σε κύτταρα γεννητικής ακολουθίας, τα οποία θα μπορούσαν στη συνέχεια να περάσουν στα παιδιά μας μέσα στο γονιδίωμά τους», είπε ο Nivala. «Ίσως θα μπορούσατε να αποθηκεύσετε ακόμη και τη καταπληκτική συνταγή για λαζάνια της μητέρας σας. Βάζω στοίχημα ότι οι μελλοντικές γενιές θα ήταν πολύ ευγνώμονες για αυτό».

Η DARPA θέλει να δημιουργήσει μια μηχανή αναζήτησης εικόνων από DNA¹³

Οι περισσότεροι άνθρωποι χρησιμοποιούν τη δυνατότητα αναζήτησης εικόνων της Google είτε για να ερευνήσουν τυχόν παραβίαση πνευματικών δικαιωμάτων είτε για αγορές. Είδατε κάποια παπούτσια που σας αρέσουν στο Instagram; Η αναζήτηση μετά θα εμφανίσει όλες τις εικόνες που ταιριάζουν, συμπεριλαμβανομένων των ιστότοπων που θα σας πουλήσουν το ίδιο ζευγάρι. Για να γίνει αυτό, οι αλγόριθμοι υπολογιστικής όρασης της Google έπρεπε να εκπαιδευτούν ώστε να εξάγουν χαρακτηριστικά αναγνώρισης όπως τα χρώματα, οι υφές και τα σχήματα από έναν τεράστιο κατάλογο εικόνων. Ο Luis Ceze, ένας επιστήμονας υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον (UW), θέλει να κωδικοποιήσει την ίδια διαδικασία απευθείας στο DNA, κάνοντας τα ίδια τα μόρια να εκτελέσουν αυτή τη λειτουργία της όρασης υπολογιστή. Και θέλει να το κάνει χρησιμοποιώντας τις φωτογραφίες σας.

Την Τετάρτη, η ομάδα του Ceze στο UW ξεκίνησε μια καμπάνια στα μέσα κοινωνικής δικτύωσης για τη συλλογή 10.000 εικόνων από όλο τον κόσμο και τη αποθήκευση των pixel τους σε A, T, C και G που αποτελούν τα δομικά στοιχεία της ζωής. Έχουν κάνει κάτι τέτοιο στο παρελθόν. Το 2016 κωδικοποίησαν ένα ολόκληρο μουσικό βίντεο, θέτοντας το ρεκόρ για την μεγαλύτερη ποσότητα δεδομένων που αποθηκεύτηκαν στο DNA. Αλλά αυτή τη φορά αποφάσισαν να συγκεντρώσουν τα δεδομένα, δημιουργώντας ένα site όπου θα μπορει ο καθένας να ανεβάσει τις φωτογραφίες του και ενθαρρύνοντας τους χρήστες να μοιράζονται τις εικόνες τους στα μέσα κοινωνικής δικτύωσης με το hashtag #MemoriesInDNA. «Το DNA μπορεί να διαρκέσει χιλιάδες χρόνια», λέει ο Ceze. «Αρα αυτό είναι ουσιαστικά μια χρονοκάψουλα. Τι θα θέλατε να διατηρήσετε για πάντα;»

Η καμπάνια #MemoriesInDNA του UW μπορεί να είναι ένα μικρό τέχνασμα – υπάρχουν πολλές διαθέσιμες, υψηλής ποιότητας βάσεις δεδομένων εικόνων με τις οποίες μπορεί να εκπαιδευτεί μια μηχανή μοριακής αναζήτησης. Αλλά η επιστήμη πίσω από αυτό είναι μια πραγματική προσπάθεια να ανατραπούν οι τελευταίες έξι δεκαετίες υπολογιστών. Η αποθήκευση με βάση το DNA μέχρι στιγμής ήταν καλή μόνο για αυτό: την κωδικοποίηση pixel και το “κλείδωμά” τους σε έλικες DNA αόρατες στο ανθρώπινο μάτι. Μέχρι στιγμής, κανείς δεν έχει καταλάβει πώς να ανακτήσει και να επεξεργαστεί τα δεδομένα που είχαν αποθηκευτεί στο DNA – ένα απαραίτητο πρώτο βήμα για τη δημιουργία κάθε είδους σοβαρής πλατφόρμας μοριακών υπολογιστών.

Ποιος θα το ήθελε αυτό όμως; Ε λοιπόν, η DARPA σίγουρα.

Τους τελευταίους μήνες, η υπηρεσία του Υπουργείου Άμυνας που έχει αναλάβει να χρηματοδοτεί τις πιο μακρινές ελπίδες της επιστήμης έχει αρχίσει να επενδύει εκατομμύρια στην ανακάλυψη ριζοσπαστικών, μη δυαδικών τρόπων εργασίας με δεδομένα. «Τα μόρια προσφέρουν μια πολύ διαφορετική προσέγγιση στον “υπολογισμό”, σε σχέση με τα 0 και 1 των υπαρχόντων ψηφιακών μας συστημάτων», λέει η Anne Fischer, υπεύθυνη προγράμματος για το πρόγραμμα Molecular Informatics της Darpa, το οποίο μέχρι στιγμής έχει προσφέρει 15,3 εκ. δολάρια σε αντίστοιχα προτζεκτ στο Χάρβαρντ, στο Μπράουν, στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις και στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. «Η παγκόσμια κοινότητα δημιουργεί δεδομένα με τεράστιο ρυθμό και η ανάπτυξη νέων προσεγγίσεων για την πρόσβαση και την επεξεργασία αυτών των πληροφοριών είναι κρίσιμης σημασίας για την αντιμετώπιση των διαφαινόμενων ελλείψεων στη χωρητικότητα αποθήκευσης και την υπολογιστική ταχύτητα».

Η ψηφιακή εποχή ξεκίνησε με μια απλή πράξη ανάθεσης: ο άνθρωπος αναθέτει την μνήμη στη μηχανή. Πρώτα σε σωλήνες κενού, μετά σε τρανζίστορ και μαγνητικούς δίσκους. Μετά από περισσότερα από 60 χρόνια, η βασική αρχιτεκτονική που βασίζεται στη λογική που περιγράφεται από τον John von Neumann εξακολουθεί να βρίσκεται κάτω από τις σύγχρονες υποδομές υπολογιστών. Και με κάθε μέτρο έχει εξυπηρετήσει καλά την ανθρωπότητα. Όμως τα όριά της γίνονται εμφανή καθώς οι άνθρωποι δημιουργούν όλο και πιο περίπλοκα δεδομένα.

«Ο νόμος του Moore έχει να κάνει με τη σμίκρυνση των συσκευών», λέει η Karin Strauss, ανώτερη επιστήμονας στη Microsoft και συνεργάτης στο πρότζεκτ του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον. «Τα ηλεκτρονικά είναι υπέροχα και θα συνεχίσουν να υπάρχουν φυσικά, αλλά τα μόρια είναι το τελευταίο σύνορο όταν πρόκειται για τη σμίκρυνση». Η Χημεία προσφέρει μια αναξιοποίητη παλέτα μοριακής ποικιλομορφίας – ιδιότητες όπως η δομή, το μέγεθος, το φορτίο και η πολικότητα – που θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για την επεξεργασία πληροφοριών.

Το DNA δεν είναι το μόνο μόριο για το οποίο ενδιαφέρεται η DARPA. Η Brenda Rubenstein είναι θεωρητική χημικός στο Μπράουν, όπου εργάστηκε στον κβαντικό υπολογισμό – κωδικοποιώντας κομμάτια πληροφοριών είτε ως άτομα, ιόντα, φωτόνια ή ηλεκτρόνια. Αλλά τώρα επεκτείνει αυτή την ιδέα σε οργανικές ενώσεις, ειδικά σε εκείνες που έχουν πολλαπλές θέσεις για να προσκολληθούν οι ομάδες R (R-groups: τα μεταβλητά μέρη των μορίων που τους προσδίδουν διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες). Η εκτέλεση διαφορετικών αντιδράσεων τροποποιεί αυτές τις ομάδες R με προβλέψιμους τρόπους, γεγονός που τις καθιστά καλές για τον υπολογισμό βασικών εξισώσεων γραμμικής άλγεβρας, λέει η Rubenstein. «Έχουν τόσες πολλές ιδιότητες, υπάρχει μια απίστευτη ικανότητα αποθήκευσης και επεξεργασίας πληροφοριών», λέει. «Νομίζω ότι τα μικρά μόρια είναι σχεδόν μια προφανής επιλογή για τη διεύρυνση του πεδίου εφαρμογής των υπολογιστών».

DNA: Το datacenter της φύσης¹⁴

Η IARPA αναζητά τεχνολογίες μοριακής αποθήκευσης πληροφοριών (molecular information storage technologies – MIST) που μπορούν να συγκρατούν τεράστιες ποσότητες δεδομένων σε ένα μικρό αποτύπωμα για μεγάλες περιόδους χωρίς φθορά και που είναι αρκετά προχωρημένες στην ερευνητική διαδικασία ώστε να είναι εμπορικά βιώσιμες μέσα σε 10 χρόνια. Το DNA θα μπορούσε να καλύψει όλες αυτές τις προϋποθέσεις, σύμφωνα με μια ανακοίνωση της υπηρεσίας που κυκλοφόρησε αυτή την εβδομάδα.

Η αποθήκευση μοριακών πληροφοριών ήταν μια θεωρητική ιδέα εδώ και δεκαετίες, αλλά πρόσφατα έφτασε σε ορισμένα σημαντικά ορόσημα. Το 2016, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον και το Microsoft Research μπόρεσαν να κωδικοποιήσουν τέσσερις ψηφιακές εικόνες στο DNA και στη συνέχεια να τις ανακτήσουν με επιτυχία, χωρίς απώλεια δεδομένων. Εάν τελειοποιηθούν αυτές οι μέθοδοι μοριακής αποθήκευσης, θα μπορούσαν να προσφέρουν πυκνότητες αποθήκευσης πληροφοριών 10 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από τις τρέχουσες τεχνικές. Θα μπορούσαν επίσης να διατηρήσουν τα δεδομένα ανέπαφα για εκατοντάδες χρόνια, μειώνοντας σημαντικά το κόστος λειτουργίας και συντήρησης, σύμφωνα με την IARPA.

Η IARPA συναντήθηκε με ενδιαφερόμενους φορείς το 2016 και το 2017, αλλά τώρα θέλει να κάνει την τεχνολογία πραγματικότητα, επομένως σχεδιάζει να αναπτύξει το πρόγραμμα MIST. «Ο θεμελιώδης στόχος του προγράμματος MIST είναι να αναπτύξει τεχνολογίες αποθήκευσης που μπορούν τελικά να επεκταθούν στο “καθεστώς” των exabyte και πιο πέρα, με μειωμένο φυσικό αποτύπωμα, ισχύ και απαιτήσεις κόστους σε σχέση με τις συμβατικές τεχνολογίες αποθήκευσης», αναφέρει η πρόσκληση.

H υπηρεσία αναζητά λύσεις από έναν αριθμό πεδίων – συμπεριλαμβανομένης της χημείας, της μοριακής βιολογίας και της μικρορευστικότητας – που θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν το MIST. Στόχος του είναι να μπορεί να αποθηκεύει και να ανακτά δεδομένα από μια λύση αποθήκευσης MIST και να έχει ένα λειτουργικό σύστημα που βοηθά στη διευκόλυνση της διαδικασίας. Το πρόγραμμα MIST, το οποίο θα αποτελείται από δύο διετείς φάσεις, αναμένεται να ξεκινήσει αργότερα φέτος με ένα διήμερο εργαστήριο στην περιοχή της Ουάσιγκτον.

Επαναπρογραμματιζόμενος υπολογιστής DNA¹⁵

Το DNA υποτίθεται ότι θα μας σώσει από το τέλμα των υπολογιστών. Με τις προόδους που χρησιμοποιούν το πυρίτιο να εξασθενούν, οι υπολογιστές που βασίζονται σε DNA υπόσχονται τεράστιες αρχιτεκτονικές παράλληλων υπολογιστών που είναι αδύνατες σήμερα.

Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα: Τα μοριακά κυκλώματα που έχουν κατασκευαστεί μέχρι τώρα δεν έχουν καθόλου ευελιξία. Σήμερα, η χρήση του DNA για υπολογισμούς είναι «σαν να χρειάζεται να φτιάξεις έναν νέο υπολογιστή από νέο υλικό, μόνο για να τρέξεις ένα νέο λογισμικό», λέει ο επιστήμονας υπολογιστών David Doty. Έτσι, ο Doty, καθηγητής στο UC Davis, και οι συνάδελφοί του ξεκίνησαν να δουν τι θα χρειαζόταν ώστε να υλοποιηθεί ένας DNA υπολογιστής που να είναι στην πραγματικότητα επαναπρογραμματιζόμενος.

Όπως περιγράφεται λεπτομερώς σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε αυτή την εβδομάδα στο Nature, ο Doty και οι συνάδελφοί του από το Caltech και το Πανεπιστήμιο Maynooth απέδειξαν ακριβώς αυτό. Έδειξαν ότι είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί ένα απλό “έναυσμα” ώστε να “πειστεί” το ίδιο βασικό σύνολο μορίων DNA να εφαρμόσει πολλούς διαφορετικούς αλγόριθμους. Αν και αυτή η έρευνα είναι ακόμα διερευνητική, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν επαναπρογραμματιζόμενοι μοριακοί αλγόριθμοι στο μέλλον για τον προγραμματισμό DNA-ρομπότ, τα οποία έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την παράδοση φαρμάκων σε καρκινικά κύτταρα.

[…]

Αυτό το πείραμα ήταν «βασική επιστήμη» στην πιο καθαρή της μορφή, μια απόδειξη της ιδέας που παρήγαγε όμορφα, αν και άχρηστα, αποτελέσματα. Όμως, σύμφωνα με τον Petr Sulc, επίκουρο καθηγητή στο Ινστιτούτο Biodesign του Πανεπιστημίου της Αριζόνα που δεν συμμετείχε στην έρευνα, η ανάπτυξη επαναπρογραμματιζόμενων μοριακών αλγορίθμων για συναρμολόγηση νανοκλίμακας ανοίγει την πόρτα σε ένα ευρύ φάσμα πιθανών εφαρμογών. Ο Sulc πρότεινε ότι αυτή η τεχνική μπορεί μια μέρα να είναι χρήσιμη για τη δημιουργία εργοστασίων νανοκλίμακας που θα συναρμολογούν μόρια ή μοριακά ρομπότ για τη διανομή φαρμάκων. Είπε ότι μπορεί επίσης να συμβάλει στην ανάπτυξη νανοφωτονικών υλικών που θα μπορούσαν να ανοίξουν το δρόμο για υπολογιστές που βασίζονται στο φως και όχι στα ηλεκτρόνια.

«Με αυτούς τους τύπους μοριακών αλγορίθμων, μια μέρα μπορεί να είμαστε σε θέση να συναρμολογήσουμε οποιοδήποτε σύνθετο αντικείμενο σε επίπεδο νανοκλίμακας, χρησιμοποιώντας ένα γενικό προγραμματιζόμενο σετ “στοιχείων”, όπως τα ζωντανά κύτταρα μπορούν να συγκεντρωθούν σε ένα κύτταρο οστού ή σε ένα κύτταρο νευρώνα απλώς επιλέγοντας ποιες πρωτεΐνες εκφράζονται», λέει ο Sulc.

Η IARPA επενδύει στην DNA αποθήκευση δεδομένων¹⁶

Η Intelligence Advanced Research Projects Activity απένειμε συνολικά 48 εκ. δολάρια σε δύο ομάδες που επιδιώκουν να αναπτύξουν την ψηφιακή αποθήκευση δεδομένων με συνθετικό DNA.

Η Κοινοπραξία Μοριακής Κωδικοποίησης (Molecular Encoding Consortium), με επικεφαλής τον Robert Nicol του Broad Institute, ανακοίνωσε την Τετάρτη ένα βραβείο 23 εκ. δολαρίων από το πρόγραμμα αποθήκευσης μοριακών πληροφοριών (MIST) της IARPA. Η κοινοπραξία περιλαμβάνει επίσης την ερευνητική ομάδα Donhee Ham στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και την DNA Script, μια γαλλική νεοσύστατη εταιρεία συνθετικού DNΑ. Σε μια δήλωση, τα μέλη της κοινοπραξίας είπαν ότι σχεδίαζαν να συνεργαστούν με την Illumina για την αποκωδικοποίηση δεδομένων που είναι αποθηκευμένα στο DNA χρησιμοποιώντας ανάλυση αλληλουχίας επόμενης γενιάς.

Η IARPA βράβευσε επίσης με 25 εκ. δολάρια στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο Έρευνας της Τζόρτζια για το πρότζεκτ ενός επεκτάσιμου μοριακού αρχειακού λογισμικού και υλικού (SMASH). Η Twist Bioscience ανακοίνωσε την Τετάρτη ότι θα συνθέσει DNA για το έργο SMASH ως υπεργολάβος. Το SMASH θα περιλαμβάνει επίσης ομάδες από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον (UW), τη Microsoft και την Roswell Biotechnologies.

Η IARPA ξεκίνησε το πρόγραμμά MIST το 2018 με στόχο την ανάπτυξη τεχνολογιών αποθήκευσης δεδομένων που θα κλιμακώνονται σε χωρητικότητα 1 δις gigabyte ή περισσότερο, με μειωμένο φυσικό αποτύπωμα και κατανάλωση ενέργειας. Το πρόγραμμα, το οποίο η IARPA αναμένει να διαρκέσει τέσσερα χρόνια, θα διερευνήσει τεχνολογίες σε τρεις τεχνικούς τομείς: την αποθήκευση, την ανάκτηση και τα λειτουργικά συστήματα.

Ως μέρος του βραβείου SMASH, 5,5 εκ. δολάρια προορίζονται για ένα νέο σχέδιο τσιπ CMOS που θα επιτρέψει τη εγγραφή DNA χρησιμοποιώντας την αποτελεσματικότητα της τρέχουσας τεχνολογίας ημιαγωγών. Η Georgia Tech θα διεξαγάγει αυτήν την έρευνα, αλλά η Twist είπε ότι θα εφαρμόσει το σχέδιο εμπορικά. Ερευνητές του UW και της Microsoft θα συνεισφέρουν στην αρχιτεκτονική του συστήματος, την ανάλυση δεδομένων και την τεχνογνωσία στην ανάπτυξη λογισμικού. Η Roswell Biotechnologies θα παρέχει επίσης ένα τσιπ και μια πλατφόρμα ανάγνωσης δεδομένων DNA υψηλής απόδοσης.

Πώς να αποθηκεύσουμε όλα τα data στο DNA¹⁷

[…] Εκτός από το κόστος, το άλλο σημαντικό πρόβλημα στη χρήση του DNA για την αποθήκευση δεδομένων είναι η δυσκολία να διαλέξουμε το αρχείο που θέλουμε από όλα τα άλλα. «Αν υποθέσουμε ότι οι τεχνολογίες για τη γραφή DNA φτάνουν σε ένα σημείο όπου είναι οικονομικά αποδοτικό να γράψουμε ένα exabyte ή zettabyte δεδομένων στο DNA, μετά τί; Θα έχουμε ένα σωρό DNA, αμέτρητα αρχεία, εικόνες, ταινίες και άλλα πράγματα, ανάμεσα στα οποία θα πρέπει να βρούμε τη μία φωτογραφία ή ταινία που ψάχνουμε», λέει ο Bathe. «Είναι σαν να προσπαθούμε να βρούμε μια βελόνα στα άχυρα».

Επί του παρόντος, τα DNA αρχεία ανακτώνται συμβατικά χρησιμοποιώντας PCR (polymerase chain reaction). Κάθε DNA αρχείο δεδομένων περιλαμβάνει μια αλληλουχία που συνδέεται με ένα συγκεκριμένο PCR αναγνωριστικό. Για να βρείτε ένα συγκεκριμένο αρχείο, αυτό το αναγνωριστικό προστίθεται στο δείγμα ώστε να βρεθεί και να ενισχυθεί η επιθυμητή ακολουθία. Ωστόσο, ένα μειονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι μπορεί να υπάρξει αλληλεπίδραση μεταξύ του αναγνωριστικού και άλλων αλληλουχιών DNA εκτός στόχου, με αποτέλεσμα να “ανασυρθούν” διαφορετικά αρχεία από τα επιθυμητά. Επίσης, η διαδικασία ανάκτησης PCR απαιτεί ένζυμα και καταλήγει να καταναλώνει το μεγαλύτερο μέρος του DNA που υπήρχε στη δεξαμενή. «Καίμε τα άχυρα για να βρούμε τη βελόνα, γιατί όλο υπόλοιπο DNA δεν χρησιμοποιείται και ουσιαστικά πετιέται», λέει ο Bathe.
Ως εναλλακτική προσέγγιση, η ομάδα του MIT ανέπτυξε μια νέα τεχνική ανάκτησης που περιλαμβάνει την ενθυλάκωση κάθε αρχείου DNA σε ένα μικρό σωματίδιο πυριτίου. Κάθε κάψουλα φέρει ετικέτα με μονόκλωνα DNA “barcodes” που αντιστοιχούν στα περιεχόμενα του αρχείου. Για να αποδείξουν αυτή την προσέγγιση με οικονομικά αποδοτικό τρόπο, οι ερευνητές κωδικοποίησαν 20 διαφορετικές εικόνες σε κομμάτια DNA μήκους περίπου 3.000 νουκλεοτιδίων, που ισοδυναμούν με περίπου 100 byte. (Έδειξαν επίσης ότι οι κάψουλες μπορούσαν να χωρέσουν αρχεία DNA έως και ένα gigabyte σε μέγεθος.)

Κάθε αρχείο έφερε barcodes που αντιστοιχούν σε ετικέτες όπως «γάτα» ή «αεροπλάνο». Όταν οι ερευνητές θέλουν να βγάλουν μια συγκεκριμένη εικόνα, αφαιρούν ένα δείγμα του DNA και προσθέτουν αναγνωριστικά που αντιστοιχούν στις ετικέτες που αναζητούν — για παράδειγμα, «γάτα», «πορτοκαλί» και «άγρια» για μια εικόνα μιας τίγρης, ή «γάτα», «πορτοκαλί» και «οικιακό» για σπιτόγατα. Τα αναγνωριστικά φέρουν ετικέτα με φθορίζοντα ή μαγνητικά σωματίδια, καθιστώντας εύκολη την αφαίρεση και τον εντοπισμό τυχόν αντιστοιχιών από το δείγμα. Αυτό επιτρέπει την αφαίρεση του επιθυμητού αρχείου ενώ αφήνει ανέπαφο το υπόλοιπο DNA για να αποθηκευτεί ξανά. Αυτή η διαδικασία ανάκτησής επιτρέπει την χρήση λογικών δηλώσεων Boole, όπως “πρόεδρος ΚΑΙ 18ος αιώνας” με αποτέλεσμα τον George Washington, παρόμοια με αυτήν που υπάρχει στις αναζητήσεις εικόνων στο Google.

[…] Ο George Church, καθηγητής γενετικής στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ, περιγράφει την τεχνική ως «ένα τεράστιο άλμα για τη διαχείριση της γνώσης και την τεχνολογία αναζήτησης». «Η ταχεία πρόοδος στη γραφή, την αντιγραφή, την ανάγνωση και την αποθήκευση αρχειακών δεδομένων χαμηλής ενέργειας σε μορφή DNA, έχει ξεπεράσει τις ελάχιστα εξερευνημένες ευκαιρίες για μια ακριβή ανάκτηση αρχείων από τεράστιες βάσεις δεδομένων», λέει ο Church, που δεν συμμετέχει στη μελέτη. «Η νέα μελέτη αντιμετωπίζει θεαματικά αυτό το πρόβλημα, χρησιμοποιώντας ένα εντελώς ανεξάρτητο εξωτερικό στρώμα DNA και αξιοποιώντας διαφορετικές ιδιότητες του DNA – τον υβριδισμό (hybridization) αντί για την αλληλούχιση (sequencing) – και επιπλέον, χρησιμοποιώντας ήδη υπάρχοντα όργανα και χημικές ουσίες».

Ο Mark Bathe, καθηγητής βιολογικής μηχανικής του MIT, οραματίζεται ότι αυτό το είδος ενθυλάκωσης DNA θα μπορούσε να είναι χρήσιμο για την αποθήκευση «ψυχρών» δεδομένων, δηλαδή δεδομένων που φυλάσσονται σε μια βάση και δεν αναζητούνται πολύ συχνά. Το εργαστήριό του δημιουργεί μια startup, την Cache DNA, που τώρα αναπτύσσει τεχνολογία για μακροπρόθεσμη αποθήκευση DNA, τόσο για αποθήκευση δεδομένων DNA μακροπρόθεσμα, όσο και για κλινικά και άλλα προϋπάρχοντα δείγματα DNA βραχυπρόθεσμα. «Αν και μπορεί να περάσει αρκετός καιρός μέχρι να καταστεί βιώσιμο το DNA ως μέσο αποθήκευσης δεδομένων, υπάρχει ήδη μια πιεστική ανάγκη σήμερα για λύσεις χαμηλού κόστους μαζικής αποθήκευσης, για προϋπάρχοντα δείγματα DNA και RNA από τα τεστ για την Covid-19, την αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος και άλλους τομείς της γονιδιωματικής», λέει ο Bathe.

(Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και το Γραφείο Ερευνών του Στρατού των ΗΠΑ.)

Ο πρώτος εγγραφέας δεδομένων σε DNA¹⁸

Η CATALOG με έδρα τη Βοστώνη είναι ο ηγέτης στην αποθήκευση ψηφιακών δεδομένων με βάση το DNA και μόλις εξασφάλισε χρηματοδότηση 35 εκ. δολαρίων για να προχωρήσει στην ανάπτυξη μιας υπολογιστικής πλατφόρμας όπου τόσο η διαχείριση δεδομένων όσο και ο υπολογισμός πραγματοποιούνται μέσω συνθετικού DNA. Τα συστήματα υπολογιστών DNA που βασίζονται σε χημικά προσφέρουν προστασία με «κενό αέρα», είναι απρόσβλητα σε παραδοσιακές ευπάθειες ηλεκτρονικής ασφάλειας, έχουν χαμηλό φυσικό αποτύπωμα και καταναλώνουν λίγη – και σε ορισμένες περιπτώσεις μηδενική – ενέργεια για την αποθήκευση και τον χειρισμό δεδομένων.

Το ιδιόκτητο σχήμα κωδικοποίησης δεδομένων της CATALOG και η νέα προσέγγιση στον αυτοματισμό επιδιώκει να ξεκλειδώσει τα μέσα για την ενσωμάτωση του DNA σε αλγόριθμους και εφαρμογές με πιθανή ευρεία εμπορική χρήση. Αναμενόμενοι τομείς εφαρμογής είναι η τεχνητή νοημοσύνη, η μηχανική μάθηση, η ανάλυση δεδομένων και η ασφάλεια. Επιπλέον, οι περιπτώσεις αρχικής χρήσης αναμένεται να περιλαμβάνουν τον εντοπισμό απάτης σε χρηματοοικονομικές υπηρεσίες, την επεξεργασία εικόνας για ανακάλυψη ελαττωμάτων στην βιομηχανία και την επεξεργασία ψηφιακού σήματος στον ενεργειακό τομέα.

«Η απλή διατήρηση δεδομένων στο DNA δεν είναι ο τελικός μας στόχος», δήλωσε ο Hyunjun Park, ιδρυτικό μέλος και διευθύνων σύμβουλος της CATALOG. «Η CATALOG θα αλλάξει θεμελιωδώς την οικονομία δεδομένων επιτρέποντας στις επιχειρήσεις να αναλύουν και να δημιουργούν επιχειρηματική αξία με ασφάλεια, από δεδομένα που προηγουμένως θα είχαν πεταχτεί ή αρχειοθετηθεί σε ψυχρή αποθήκευση. Η πιθανότητα μιας εξαιρετικά επεκτάσιμης, με χαμηλή ενέργεια και δυνητικά φορητής πλατφόρμας DNA-υπολογιστών είναι μέσα στις δυνατότητές μας».
Ο πρώτος εγγραφέας DNA της CATALOG, Shannon, πήρε το όνομά του προς τιμήν του πατέρα της θεωρίας της πληροφορίας, Claude Shannon. Είναι ικανός για εκατοντάδες χιλιάδες χημικές αντιδράσεις ανά δευτερόλεπτο. Προς το παρόν παρέχει μόνο αποθήκευση, αλλά οι μελλοντικές εκδόσεις της αυτοματοποιημένης πλατφόρμας δεδομένων που βασίζεται σε DNA θα εισάγουν υπολογιστικές δυνατότητες. Αυτή θα είναι η πρώτη εμπορικά βιώσιμη και αυτοματοποιημένη πλατφόρμα για DNA αποθήκευση και υπολογισμό, για εταιρική χρήση.

H εποχή Yottabyte¹⁹

Ένα kilobyte είναι 1000 bytes και ένα zettabyte είναι 1000⁷ bytes. Μεταξύ kilobyte και zettabyte, με δυνάμεις του 1000, υπάρχουν megabyte, gigabyte, terabyte, petabyte και exabyte. Μετά τα zettabytes έρχονται τα yottabytes. Το 2016, η Cisco ανακοίνωσε ότι βρισκόμαστε στην εποχή των Zettabyte, με την παγκόσμια επισκεψιμότητα στο Διαδίκτυο να φτάνει τα 1,2 zettabyte. Θα είμαστε στην εποχή Yottabyte πριν τελειώσει η δεκαετία.

Οι άνθρωποι εργάζονται για την DNA αποθήκευση για πολλά χρόνια. Έγραψα για πρώτη φορά για αυτό το 2016, όταν υπέθεσα ότι μπορεί να σημαίνει ότι θα μπορούσαμε κυριολεκτικά να είμαστε ο δικός μας ιατρικός φάκελος. Δεν βρισκόμαστε ακόμη στο στάδιο της πρακτικής αποθήκευσης στο DNA και πιθανότατα δεν θα είμαστε για πολλά ακόμη χρόνια, αλλά είναι δύσκολο να πιστέψουμε ότι δεν θα φτάσουμε εκεί τελικά. Σε αντίθεση με κάθε άλλη μορφή αποθήκευσης που έχουμε, το DNA μπορεί να αντέξει σχεδόν επ’ αόριστον και εφόσον υπάρχουν ευφυή είδη που βασίζονται στο DNA, θα θέλουν να το διαβάσουν. Το πιο σημαντικό είναι ότι το DNA μπορεί να αποθηκεύσει πολλά δεδομένα. Όπως είπε ο καθηγητής του MIT Mark Bathe: «Όλα τα δεδομένα στον κόσμο θα μπορούσαν να χωρέσουν στο φλιτζάνι του καφέ που πίνεις το πρωί, αν ήταν αποθηκευμένα στο DNA».

Αυτό που με ώθησε να γράψω για αυτό τώρα ήταν μια ανακοίνωση από τη Microsoft. Σε συνεργασία με ερευνητές από το Εργαστήριο Μοριακών Πληροφοριών στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, η εργασία τους παρουσίασε μια «απόδειξης της ιδέας» για έναν μοριακό ελεγκτή που τους επέτρεπε να γράφουν στο DNA εως και με «τρεις τάξεις μεγέθους» – δηλαδή 1000x – πυκνότερα. Όπως έλεγε η ανακοίνωση: «Τελικά, μπορέσαμε να χρησιμοποιήσουμε το σύστημα για να κωδικοποιήσουμε ένα μήνυμα σε τέσσερις έλικες συνθετικού DNA και αυτό είναι μια απόδειξη ότι η εγγραφή DNA σε νανοκλίμακα είναι δυνατή σε διαστάσεις που είναι απαραίτητες για μια πρακτική DNA αποθήκευση δεδομένων».

Η δημοσίευση καταλήγει: «…προβλέπουμε ότι η τεχνολογία θα κλιμακωθεί περαιτέρω σε δισεκατομμύρια χαρακτηριστικά ανά τετραγωνικό εκατοστό, επιτρέποντας την διεκπεραίωση της σύνθεσης να φτάσει σε επίπεδα megabyte-ανά-δευτερόλεπτο σε μία μονάδα εγγραφής, που θα είναι ανταγωνιστική με τη διεκπεραίωση εγγραφής άλλων συσκευών αποθήκευσης. Προβλέπουμε ότι αυτοί οι “συναρμολογητές” θα χρησιμοποιηθούν σε άλλους τομείς όπως η επιστήμη των υλικών, η συνθετική βιολογία, η διάγνωση και οι πειραματικές δοκιμασίες μοριακής βιολογίας».

Ομοίως, η ανακοίνωση καταλήγει: «Προβλέπουμε ότι η τεχνολογία θα φτάσει σε συστοιχίες που θα περιέχουν δισεκατομμύρια ηλεκτρόδια ικανά να αποθηκεύουν megabyte δεδομένων ανά δευτερόλεπτο στο DNA. Αυτό θα φέρει την απόδοση της DNA αποθήκευσης δεδομένων και το κόστος πολύ πιο κοντά στην μαγνητική ταινία».

Για να μην νομίζει κανείς ότι μόνο η Microsoft εργάζεται πάνω σε αυτό, υπήρξαν πολλές άλλες ελπιδοφόρες εξελίξεις τις τελευταίες εβδομάδες. Η Interesting Engineering τόνισε μερικές από αυτές:

Οι ερευνητές του Georgia Tech Research Institute ανέπτυξαν ένα μικροτσίπ που επιτρέπει ταχύτερη εγγραφή στο DNA και αναμένουν ότι θα είναι 100 φορές ταχύτερο από τις τρέχουσες τεχνολογίες. Ο επικεφαλής ερευνητής Nicholas Guise είπε στο BBC ότι, εφόσον το DNA μπορεί να επιβιώσει τόσο πολύ, «το κόστος ιδιοκτησίας πέφτει σχεδόν στο μηδέν».

Οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου Northwestern απέδειξαν ένα νέο «ενζυματικό σύστημα» που κωδικοποιεί τρία bit δεδομένων ανά ώρα. Η ανακοίνωση του πανεπιστημίου εξηγεί: «Η μέθοδός μας είναι πολύ φθηνότερη για την εγγραφή πληροφοριών, επειδή το ένζυμο που συνθέτει το DNA μπορεί να υποστεί άμεση χειραγώγηση». Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την εγκατάσταση «μοριακών καταγραφέων» μέσα στα κύτταρα για να λειτουργήσουν ως βιοαισθητήρες. Οι πιθανότητες είναι εκπληκτικές.

Μια ομάδα στο Νοτιοανατολικό Πανεπιστήμιο της Κίνας χρησιμοποίησε μια νέα διαδικασία για να χωρίσει το περιεχόμενο των δεδομένων σε ακολουθίες, αντί σε μια μεγάλη ενιαία αλυσίδα, ενώ «μείωσε» τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν. Η TechRadar εικάζει ότι θα μπορούσε να οδηγήσει στην πρώτη συσκευή DNA αποθήκευσης για την μαζική αγορά. Ο καθηγητής Liu Hong είπε στους Global Times: «Τώρα στοχεύουμε στον συνδυασμό ηλεκτρονικής τεχνολογίας πληροφοριών και βιολογίας, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες πτυχές, συμπεριλαμβανομένης της αποθήκευσης δεδομένων και του νουκλεϊκού τεστ για ιούς».

Η Interesting Engineering μπορεί να έχει χάσει την πιο ενδιαφέρουσα χρήση μέχρι σήμερα: Το Business Insider India αναφέρει ότι η Roddenberry Entertainment δημιούργησε ένα NFT της υπογραφής του Gene Roddenberry στο πρώτο συμβόλαιο του Star Trek και το αποθήκευσε σε DNA εμφυτευμένο σε βακτήρια – «το πρώτο ζωντανό οικολογικό NFT». Τα βακτήρια είναι επί του παρόντος αδρανή, αλλά εάν αναζωογονηθούν, θα αντιγράψουν το NFT καθώς αναπαράγονται.

Είναι πιθανό η DNA αποθήκευση να μην γίνει ποτέ αρκετά γρήγορη ή αρκετά φθηνή για να αντικαταστήσει τις υπάρχουσες μεθόδους αποθήκευσης. Είναι πιθανό να προκύψει κάποια άλλη νέα τεχνική που θα είναι ακόμα καλύτερη από την DNA αποθήκευση. Αλλά είμαστε πλάσματα που βασίζονται στο DNA και η δυνατότητα χρήσης της τεχνικής με την οποία μας χτίζει η φύση για να αποθηκεύουμε και να χειριζόμαστε τα δεδομένα που παράγουμε είναι ακαταμάχητη.
Υπάρχουν ήδη «ρομπότ» που βασίζονται σε DNA και υπολογιστές που βασίζονται σε DNA, οπότε ειλικρινά, η DNA αποθήκευση δεν με εκπλήσσει καθόλου. Θα πρέπει να περιμένουμε μοριακούς DNA καταγραφείς – και να προσπαθούμε να προβλέψουμε πώς θα θέλαμε και πώς δεν θα θέλαμε να χρησιμοποιηθούν.

Στον 21ο αιώνα, η βιολογία είναι η πληροφορική και το αντίστροφο. Το DNA δεν είναι μόνο η γενετική ιστορία και το μέλλον μας, αλλά πληροφορίες που μπορούμε να διαβάσουμε και να γράψουμε. Το ονομάζουμε «συνθετική βιολογία» τώρα, αλλά καθώς το πεδίο μεγαλώνει, είναι πιθανό να ξεχάσουμε το «συνθετικό» κομμάτι, όπως η «ψηφιακή υγεία» μπορεί απλώς να γίνει «υγεία» ή το «κρυπτονόμισμα» να γίνει απλώς «νόμισμα».
Η ζωή στην εποχή Yottabyte θα είναι πολύ ενδιαφέρουσα.

1. DNA Digital Data Storage Market Forecast to 2028 – https://www.researchandmarkets.com/reports/5557873 ↩︎
2. DNA Computing – DNA-based PCs? Doubtful. But DNA might do some computing-while assembling nanostructures.1/5/2000 – https://www.technologyreview.com/2000/05/01/236306/dna-computing ↩︎
3. A Glimpse at the Future of DNA: M.D.’s Inside the Body. 29/4/2004 – https://www.nytimes.com/2004/04/29/us/a-glimpse-at-the-future-of-dna-md-s-inside-the-body.html ↩︎
4. DNA Computer Puts Microbes to Work as Number Crunchers. 30/05/2008 – https://www.scientificamerican.com/article/dna-computer-puts-microbe ↩︎
5. DNA: The Ultimate Hard Drive – Researchers have stored an entire genetics textbook in less than a picogram of DNA, or one trillionth of a gram. 17/8/2012 – https://www.wired.com/2012/08/dna-data-storage ↩︎
6. What Can DNA-Based Computers Do? Biological computing is most promising for novel medical applications. 4/2/2015 – https://www.technologyreview.com/2015/02/04/169455/what-can-dna-based-computers-do ↩︎
7. Microsoft Reports a Big Leap Forward for DNA Data Storage. 7/7/2016 – https://www.technologyreview.com/2016/07/07/158934/microsoft-reports-a-big-leap-forward-for-dna-data-storage ↩︎
8. You May Become Your Own Medical Record. 3/11/2016 – https://tincture.io/you-may-become-your-own-medical-record-a0a0d7169ef2 ↩︎
9. Running DNA Like a Computer Could Help You Fight Viruses One Day. 17/2/2017 – https://www.wired.com/2017/02/running-dna-like-computer-help-fight-viruses-one-day ↩︎
10. Turning to Chemistry for New “Computing” Concepts – DARPA explores approaches to store and process vast amounts of data using encoded molecules. 23/2/2017 – https://www.darpa.mil/news-events/2017-03-23 ↩︎
11. Taking cells out to the movies with new CRISPR technology – Genome engineering technology transforms living cells into archival data storage devices that capture, store, and propagate information over time. 12/7/2017 – https://wyss.harvard.edu/news/taking-cells-out-to-the-movies-with-new-crispr-technology ↩︎
12. Can We Encode Medical Records Into Our DNA? 13/8/2017 – https://www.healthline.com/health-news/can-we-encode-medical-records-into-our-dna#Encoding-personal-information-into-our-DNA ↩︎
13. Darpa Wants to Build an Image Search Engine out of DNA. And your photos could end up in its database. 24/1/2018 – https://www.wired.com/story/darpa-wants-to-build-an-image-search-engine-out-of-dna ↩︎
14. DNA: Nature’s data center – The Intelligence Advanced Research Projects Activity is looking for a new storage medium that can hold more data within a smaller footprint. Is DNA the answer? 28/2/2018 – https://gcn.com/data-analytics/2018/02/dna-natures-data-center/296110 ↩︎
15. Finally! A DNA Computer That Can Actually Be Reprogrammed. DNA computers have to date only been able to run one algorithm, but a new design shows how these machines can be made more flexible – and useful. 21/3/2019 – https://www.wired.com/story/finally-a-dna-computer-that-can-actually-be-reprogrammed ↩︎
16. IARPA Commits $48M to DNA Data Storage. 15/1/2020 – https://www.genomeweb.com/informatics/iarpa-commits-48m-dna-data-storage ↩︎
17. Could all your digital photos be stored as DNA? – World Economic Forum & ΜΙΤ. 16/7/2021 – https://www.weforum.org/agenda/2021/06/research-shows-dna-could-be-a-solution-to-the-world-s-data-storage-problem ↩︎
18. DNA-based chemical computing could revolutionize the IT industry. 30/9/2021 – https://betanews.com/2021/09/30/dna-based-computing-revolutionize-it ↩︎
19. DNA Storage in the Yottabyte Era. Demand for data storage is skyrocketing. 7/12/2021 – https://onezero.medium.com/dna-storage-in-the-yottabyte-era-76c87235ced5 ↩︎