Att lagra data i DNA är mycket enklare än att få ut det igen

Mänskligheten skapar information i en aldrig tidigare skådad hastighet – cirka 16 zettabyte varje år (en zettabyte är en miljard terabyte). Och denna takt ökar. Förra året beräknade forskargruppen IDC att vi kommer att producera över 160 zettabyte varje år till 2025.

All denna data måste lagras, och som ett resultat behöver vi mycket tätare minne än vi har idag. En spännande lösning är att utnyttja DNA:s molekylära struktur. Forskare har länge vetat att DNA kan användas för datalagring - trots allt lagrar det ritningen för att skapa enskilda människor och överför den från en generation till nästa.

Vad som är imponerande för datavetare är tätheten av data som DNA lagrar: ett enda gram kan rymma ungefär en zettabyte.

Men ingen har kommit på ett realistiskt system för att lagra data i ett DNA-bibliotek och sedan hämta det igen när det behövs.

Idag förändras det tack vare arbetet av Federico Tavella vid universitetet i Padua i Italien och kollegor, som har designat och testat just en sådan teknik baserad på bakteriella nanonätverk.

Principen är enkel. Bakterier bär ofta genetisk information i form av små cirkulära ringar av dubbelsträngat DNA som kallas plasmider. Dessa molekyler är viktiga eftersom de ofta ger vissa fördelar till värdcellen, såsom antibiotikaresistens.

Avgörande är att bakterier kan överföra plasmider från en cell till en annan i en process som kallas konjugering. Detta är ett sätt som bakterier byter genetisk information på, och processen bildar ett fantastiskt komplext nanonätverk i naturen.

Det är grunden för den nya tekniken. Tavella och co vill utnyttja detta nanonätverk för att överföra information som de har genmanipulerat till plasmiderna.

Tanken är att lagra data i plasmider inuti bakterieceller som är fångade på en specifik plats. För att hämta denna information skickar forskarna rörliga bakterier till denna plats, där de konjugerar med de fångade bakterierna och fångar de databärande plasmiderna. Slutligen bär de rörliga bakterierna denna information till en enhet som extraherar plasmiderna och läser data de bär.

Tavella och co har till och med utfört ett proof-of-principe-experiment med två olika stammar av E coli —HB101 och Novablue — som är resistenta mot olika antibiotika. HB101 är resistent mot streptomycin, medan Novablue har tetracyklinresistenta plasmider. Novablue kan överföra denna resistens till HB101 genom att överföra dessa plasmider under konjugering.

Det ger teamet kontroll över var bakterierna kan växa. Till exempel kan Novablue överleva när tetracyklin är närvarande, men HB101 kan inte – om det inte har konjugerats med Novablue och blivit resistent.

Så prototypminnet består av ett datalagringsområde, en dataläsare och en dataöverföringskanal som förbinder dem. För att lagra data kodar forskarna ett enkelt meddelande i de tetracyklinresistenta plasmiderna som bärs av Novablue-bakterierna. I enlighet med traditionen är budskapet Hello World. De inkluderar också ett fluorescerande färgämne i plasmiden så att de kan övervaka dess rörelse.

Till att börja med placeras Novablue-bakterierna i datalagringsområdet, där de inte kan fly. I praktiken är detta en plan yta av hård agar som inte är lämplig för bakteriell motilitet. I alla fall omger teamet detta med streptomycin, som dödar Novablue.

Dataöverföringskanalen går från en källa med HB101-bakterier över datalagringsområdet och sedan vidare mot dataläsaren. Denna består av mjuk agar som är lämplig för bakteriell motilitet. Och eftersom HB101 är resistent mot streptomycin, kan det röra sig genom denna kanal med relativ lätthet.

Emellertid är området mellan datalagringsområdet och dataläsaren rik på tetracyklin såväl som streptomycin. Och detta förhindrar båda bakterierna från att resa över den.

Vad som händer härnäst är nyckeln. HB101-bakterierna åker till datalagringsområdet, konjugerar med Novablue-bakterierna och plockar upp de databärande plasmiderna.

Men detta ger dem också tetracyklinresistens. Och det betyder att när de har plockat upp datan kan de sedan resa vidare genom kanalen till dataläsaren. Forskarna extraherar sedan plasmiderna och läser data — Hello World. De kan se hur information flödar över detta nätverk tack vare det fluorescerande färgämnet.

Det är inte direkt snabbt: HB101-bakterierna tar cirka 72 timmar att resa över agarkanalen. Så datahastigheter är snigelliknande. Men experimentet visar hur ett DNA-dataarkiv i princip skulle kunna fungera.

Det finns en annan viktig del av ett dataarkiv. I ett sådant system kommer det att finnas många datalagringsplatser, och var och en måste vara adresserbar. Med andra ord måste det finnas ett sätt för dataöverföringsbakterierna att hitta varje plats.

Tavella och co har också ett svar på detta: ett molekylärt positioneringssystem som är analogt med Global Positioning System. Detta förlitar sig på beacons som varje frigör en kemikalie som attraherar bakterierna. Faktum är att bakterierna kan konstrueras för att följa dessa kemiska spår.

Sedan är det med tre olika kemikaliespår möjligt att triangulera en position i rymden. När rörliga bakterier följer alla tre spår hamnar de på den plats där alla tre kemiska signaler överlappar varandra. I simuleringar, säger forskarna, fungerar denna process bra, men de har ännu inte provat det i ett vått labb.

Ändå är arbetet ett intressant steg mot praktisk DNA-baserad datalagring. Vår lösning tillåter digitalt kodad information att lagras i icke-rörliga bakterier, som utgör en arkivarkitektur av kluster, och att senare hämtas av konstruerade rörliga bakterier, närhelst läsoperationer behövs, säger Tavella och co.

Och proof-of-principe-experimentet visar hur detta skulle kunna fungera. Vi har genomfört våtlabbexperiment som visar hur bakteriernanonätverk effektivt kan hämta ett enkelt meddelande, som 'Hello World', genom konjugering med icke-rörliga bakterier, och slutligen mobilisera mot en sista punkt, säger de.

Naturligtvis finns det många utmaningar framför sig. Det molekylära positioneringssystemet är intressant men kommer att behöva testas i ett vått labb för att se hur mångsidigt och praktiskt det kan vara. Och datahastigheterna kommer att behöva ökas. Det kommer inte att vara möjligt genom att öka hastigheten med vilken bakterier färdas, men hastigheten kan förbättras avsevärt genom att öka mängden data varje plasmid lagrar.

Tidiga dagar för en potentiellt spännande teknik.

Ref: arxiv.org/abs/1801.04774 : DNA Molecular Storage System: Överföra digitalt kodad information genom bakteriella nanonätverk

Dölj