211service.com
Gegevens opslaan in DNA is een stuk eenvoudiger dan ze er weer uit krijgen
De mensheid creëert informatie met een ongekende snelheid - zo'n 16 zettabyte per jaar (een zettabyte is één miljard terabyte). En dit percentage stijgt. Vorig jaar berekende onderzoeksgroep IDC dat we in 2025 jaarlijks ruim 160 zettabyte produceren.
Al deze gegevens moeten worden opgeslagen en als gevolg daarvan hebben we een veel compacter geheugen nodig dan we nu hebben. Een intrigerende oplossing is om de moleculaire structuur van DNA te benutten. Onderzoekers weten al lang dat DNA kan worden gebruikt voor gegevensopslag - het slaat tenslotte de blauwdruk op voor het maken van individuele mensen en geeft het door van de ene generatie naar de volgende.
Wat indrukwekkend is voor computerwetenschappers, is de dichtheid van de gegevens die DNA opslaat: een enkele gram kan ongeveer een zettabyte bevatten.
Maar niemand heeft een realistisch systeem bedacht om gegevens op te slaan in een DNA-bibliotheek en deze vervolgens weer op te halen wanneer dat nodig is.
Vandaag verandert dat dankzij het werk van Federico Tavella aan de Universiteit van Padua in Italië en collega's, die zo'n techniek hebben ontworpen en getest op basis van bacteriële nanonetwerken.
Het principe is eenvoudig. Bacteriën dragen vaak genetische informatie in de vorm van kleine cirkelvormige ringen van dubbelstrengs DNA, plasmiden genaamd. Deze moleculen zijn belangrijk omdat ze de gastheercel vaak enig voordeel verlenen, zoals antibioticaresistentie.
Cruciaal is dat bacteriën plasmiden van de ene cel naar de andere kunnen overbrengen in een proces dat bekend staat als conjugatie. Dit is een manier waarop bacteriën genetische informatie uitwisselen, en het proces vormt een fantastisch complex nanonetwerk in de natuur.
Dat is de basis van de nieuwe techniek. Tavella en co willen dit nanonetwerk benutten om informatie die ze genetisch gemanipuleerd hebben over te brengen naar de plasmiden.
Het idee is om gegevens op te slaan in plasmiden in bacteriële cellen die op een specifieke locatie zijn opgesloten. Om deze informatie op te halen, sturen de onderzoekers beweeglijke bacteriën naar deze site, waar ze zich vervoegen met de gevangen bacteriën en de gegevensdragende plasmiden vangen. Ten slotte dragen de beweeglijke bacteriën deze informatie naar een apparaat dat de plasmiden extraheert en de gegevens leest die ze dragen.
Tavella en co hebben zelfs een proof-of-principle-experiment uitgevoerd, met behulp van twee verschillende stammen van E coli —HB101 en Novablue—die resistent zijn tegen verschillende antibiotica. HB101 is resistent tegen streptomycine, terwijl Novablue tetracycline-resistente plasmiden heeft. Novablue kan deze resistentie tegen HB101 doorgeven door deze plasmiden tijdens conjugatie over te dragen.
Dat geeft het team controle over waar de bacteriën kunnen groeien. Novablue kan bijvoorbeeld overleven als tetracycline aanwezig is, maar HB101 niet, tenzij het is geconjugeerd met Novablue en resistent is geworden.
Het prototypegeheugen bestaat dus uit een gegevensopslaggebied, een gegevenslezer en een gegevensoverdrachtkanaal dat ze verbindt. Om gegevens op te slaan, coderen de onderzoekers een eenvoudig bericht in de tetracycline-resistente plasmiden die door de Novablue-bacteriën worden gedragen. Traditiegetrouw luidt de boodschap Hello World. Ze bevatten ook een fluorescerende kleurstof in het plasmide, zodat ze de beweging ervan kunnen volgen.
Om te beginnen worden de Novablue-bacteriën in het gegevensopslaggebied geplaatst, waar ze niet kunnen ontsnappen. In de praktijk is dit een plat oppervlak van harde agar dat niet geschikt is voor bacteriële beweeglijkheid. Het team omringt dit in ieder geval met streptomycine, waar Novablue dood aan gaat.
Het gegevensoverdrachtkanaal loopt van een bron van HB101-bacteriën over het gegevensopslaggebied en vervolgens naar de gegevenslezer. Deze bestaat uit zachte agar die geschikt is voor bacteriële beweeglijkheid. En aangezien HB101 resistent is tegen streptomycine, kan het relatief gemakkelijk door dit kanaal bewegen.
Het gebied tussen het gegevensopslaggebied en de gegevenslezer is echter rijk aan tetracycline en streptomycine. En dit voorkomt dat beide bacteriën eroverheen reizen.
Wat er daarna gebeurt, is de sleutel. De HB101-bacteriën reizen naar het gegevensopslaggebied, conjugeren met de Novablue-bacteriën en halen de gegevensdragende plasmiden op.
Maar hierdoor krijgen ze ook tetracyclineresistentie. En dat betekent dat wanneer ze de data hebben opgepikt, ze via het kanaal verder kunnen reizen naar de datalezer. De onderzoekers extraheren vervolgens de plasmiden en lezen de gegevens - Hallo wereld. Ze kunnen zien hoe informatie over dit netwerk stroomt dankzij de fluorescerende kleurstof.
Het is niet bepaald snel: de HB101-bacteriën doen er zo'n 72 uur over om over het agarkanaal te reizen. Dus datasnelheden zijn slakachtig. Maar het experiment laat zien hoe een DNA-data-archief in principe zou kunnen werken.
Er is nog een belangrijk element van een data-archief. In een dergelijk systeem zullen er veel gegevensopslaglocaties zijn, en elke locatie moet adresseerbaar zijn. Met andere woorden, er moet een manier zijn voor de gegevensoverdrachtbacteriën om elke locatie te vinden.
Ook daar hebben Tavella en co een antwoord op: een moleculair positioneringssysteem dat analoog is aan het Global Positioning System. Dit is afhankelijk van bakens die elk een chemische stof afgeven die de bacteriën aantrekt. Inderdaad, de bacteriën kunnen zo worden gemanipuleerd dat ze deze chemische sporen volgen.
Met drie verschillende chemische sporen is het dan mogelijk om een positie in de ruimte te trianguleren. Wanneer beweeglijke bacteriën alle drie de sporen volgen, komen ze terecht op de plaats waar alle drie de chemische signalen elkaar overlappen. In simulaties, zeggen de onderzoekers, werkt dit proces goed, maar ze moeten het nog proberen in een nat lab.
Desalniettemin is het werk een interessante stap in de richting van praktische op DNA gebaseerde gegevensopslag. Met onze oplossing kan digitaal gecodeerde informatie worden opgeslagen in niet-beweeglijke bacteriën, die een archiefarchitectuur van clusters vormen, en later worden opgehaald door gemanipuleerde beweeglijke bacteriën, wanneer leesbewerkingen nodig zijn, zeggen Tavella en co.
En het proof-of-principle-experiment laat zien hoe dit zou kunnen werken. We hebben natte lab-experimenten uitgevoerd die laten zien hoe nanonetwerken van bacteriën een eenvoudige boodschap, zoals 'Hallo wereld', effectief kunnen ophalen door vervoeging met niet-beweeglijke bacteriën, en uiteindelijk mobiliseren naar een laatste punt, zeggen ze.
Natuurlijk liggen er nog veel uitdagingen in het verschiet. Het moleculaire positioneringssysteem is interessant, maar zal in een nat lab getest moeten worden om te zien hoe veelzijdig en praktisch het kan zijn. En de datasnelheden zullen omhoog moeten. Dat zal niet mogelijk zijn door de snelheid waarmee bacteriën reizen te verhogen, maar de snelheid kan aanzienlijk worden verbeterd door de hoeveelheid gegevens die elk plasmide opslaat te vergroten.
Vroege dagen voor een potentieel opwindende techniek.
Referentie: arxiv.org/abs/1801.04774 : DNA Molecular Storage System: digitaal gecodeerde informatie overdragen via bacteriële nanonetwerken