Voor het eerst biedt DNA-technologie zowel dataopslag- als computerfuncties

Onderzoekers van North Carolina State University en Johns Hopkins University hebben een technologie gedemonstreerd die een reeks dataopslag- en computerfuncties kan uitvoeren: herhaaldelijk opslaan, ophalen, berekenen, wissen of herschrijven van data, waarbij DNA wordt gebruikt in plaats van conventionele elektronica. Eerdere DNA-dataopslag- en computertechnologieën konden een aantal, maar niet alle, taken voltooien.

Het artikel, getiteld “A Primordial DNA Store and Compute Engine”, verschijnt in het dagboek Natuur Nanotechnologie.

“Bij conventionele computertechnologieën gaan we ervan uit dat de manier waarop gegevens worden opgeslagen en de manier waarop gegevens worden verwerkt, compatibel zijn met elkaar”, aldus projectleider Albert Keung, medeauteur van een paper over het werk.

“Maar in werkelijkheid worden gegevensopslag en gegevensverwerking in afzonderlijke delen van de computer uitgevoerd, en moderne computers zijn een netwerk van complexe technologieën.” Keung is universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire technologie en een Goodnight Distinguished Scholar aan de NC State.

“DNA-computing worstelt met de uitdaging om gegevens op te slaan, op te halen en te berekenen als ze in de vorm van nucleïnezuren worden opgeslagen”, aldus Keung.

“Voor elektronisch computergebruik is het feit dat alle componenten van een apparaat compatibel zijn een reden waarom deze technologieën aantrekkelijk zijn. Maar tot nu toe werd gedacht dat DNA-dataopslag weliswaar nuttig kan zijn voor langetermijndataopslag, maar dat het moeilijk of onmogelijk zou zijn om een ​​DNA-technologie te ontwikkelen die het volledige scala aan bewerkingen omvat die in traditionele elektronische apparaten worden aangetroffen: het opslaan en verplaatsen van data; het vermogen om specifieke databestanden te lezen, wissen, herschrijven, herladen of berekenen; en al deze dingen op programmeerbare en herhaalbare manieren te doen.

“We hebben aangetoond dat deze DNA-gebaseerde technologieën levensvatbaar zijn, want we hebben er een ontwikkeld.”

De nieuwe technologie wordt mogelijk gemaakt door recente technieken die de creatie van zachte polymeermaterialen met unieke morfologieën mogelijk maken.

“We hebben specifiek polymeerstructuren gecreëerd die we dendricolloïden noemen. Ze beginnen op microschaal, maar vertakken zich op hiërarchische wijze van elkaar om een ​​netwerk van nanovezels te creëren”, zegt Orlin Velev, co-corresponderend auteur en S. Frank en Doris Culberson Distinguished Professor of Chemical and Biomolecular Engineering aan de NC State.

“Deze morfologie zorgt voor een structuur met een groot oppervlak, waardoor we DNA tussen de nanofibrillen kunnen deponeren zonder dat dit ten koste gaat van de datadichtheid die DNA in de eerste plaats aantrekkelijk maakt voor dataopslag.”

“Je zou de gegevens van duizend laptops in een DNA-opslag kunnen stoppen die net zo groot is als een gum van een potlood”, zegt Keung.

“Doordat we DNA-informatie kunnen onderscheiden van de nanovezels waarin het is opgeslagen, kunnen we veel van dezelfde functies uitvoeren als elektronische apparaten”, aldus Kevin Lin, eerste auteur van het artikel en voormalig promovendus aan de NC State University.

“We kunnen DNA-informatie rechtstreeks van het oppervlak van het materiaal kopiëren zonder het DNA te beschadigen. We kunnen ook gerichte stukken DNA wissen en vervolgens herschrijven naar hetzelfde oppervlak, zoals het verwijderen en herschrijven van informatie die op de harde schijf is opgeslagen. Het stelt ons in wezen in staat om het volledige scala aan DNA-gegevensopslag en computerfuncties uit te voeren. Bovendien ontdekten we dat wanneer we DNA op het dendricolloïde materiaal deponeren, het materiaal helpt om het DNA te bewaren.”

“Je zou kunnen zeggen dat het team van Keung het equivalent van microcircuits levert, en het dendricolloïdale materiaal dat mijn team creëert, levert de printplaat”, aldus Velev.

“Onze NC State-medewerker Adriana San Miguel hielp ons de materialen te integreren in microfluïdische kanalen die de stroom van nucleïnezuren en reagentia sturen, waardoor we gegevens kunnen verplaatsen en computeropdrachten kunnen starten. Het lab van Winston Timp bij Johns Hopkins droeg hun expertise bij op het gebied van nanopore-sequencing, waarmee we de gegevens direct in RNA kunnen lezen nadat we deze van DNA op het oppervlak van het materiaal hebben gekopieerd. En het lab van James Tuck, ook hier bij NC State, heeft algoritmen ontwikkeld waarmee we gegevens kunnen omzetten in nucleïnezuursequenties en vice versa, terwijl we rekening houden met mogelijke fouten.”

De onderzoekers hebben aangetoond dat de nieuwe dataopslag- en computertechnologie, die ze een “primordial DNA store and compute engine” noemen, in staat is om simpele sudoku- en schaakproblemen op te lossen. Tests suggereren dat het data veilig duizenden jaren lang kan opslaan in commercieel beschikbare ruimtes zonder het informatie-opslaande DNA te degraderen.

“Bovendien is het dendrocolloïdale gastmateriaal zelf relatief goedkoop en eenvoudig te vervaardigen”, aldus Velev.

“Er is veel enthousiasme over moleculaire dataopslag en -berekening, maar er zijn belangrijke vragen over hoe praktisch het vakgebied is”, zegt Keung. “We keken terug naar de geschiedenis van computing en hoe de oprichting van ENIAC het vakgebied inspireerde. We wilden iets ontwikkelen dat het vakgebied van moleculair computing zou inspireren. En we hopen dat wat we hier hebben gedaan een stap in die richting is.”

Het artikel werd mede geschreven door Kevin Volkel en Andrew Clark, voormalige promovendi aan NC State; Cyrus Cao en Rachel Polak, promovendi aan NC State; Adriana San Miguel, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire techniek aan NC State; James Tuck, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek aan NC State; Winston Timp, universitair hoofddocent biomedische techniek aan de Johns Hopkins University; en Paul Hook, postdoctoraal onderzoeker aan Johns Hopkins.