DNAを用いた革新的なデータストレージ技術は、着実に進歩を遂げているようだ。North Carolina State University（NC State）とJohns Hopkins Universityの研究チームが、超高密度でのデータ保存だけでなく、演算機能も備えた画期的なシステムを開発した。この技術により、指先サイズの領域に数千台分のSSDに相当するデータを格納できるようになる可能性が示されたのだ。
DNAテクノロジーによる超高密度データ保存
NC StateのAlbert Keung氏らの研究チームが発表し、科学誌『Nature』に掲載された論文によると、この新技術は従来のストレージと比較して驚異的な容量を実現している。Keung氏は「鉛筆の消しゴムと同じサイズのDNAベースのストレージに、1000台のラップトップ分のデータを格納できる」と述べている。
このDNAストレージの仕組みは、特殊な構造を持つ軟質ポリマー材料を利用している。NC StateのOrlin Velev氏は、この材料を「dendricolloids（樹状コロイド）」と呼んでいる。これは、マイクロスケールから始まり、階層的に分岐してナノスケールの繊維のネットワークを形成する構造だ。この形態により、高い表面積を持つ構造が作られ、DNAをナノフィブリル間に配置することができる。
Velev氏は、「この形態により、DNAデータ保存に魅力的な特徴である高いデータ密度を犠牲にすることなく、ナノフィブリル間にDNAを配置することができる高表面積構造が作られる」と説明している。この技術により、従来のDNAデータ保存技術の課題であった高密度と機能性の両立が可能になったのだ。
さらに、このDNA技術は長期保存の可能性も秘めている。研究チームの検証によれば、商業的に利用可能な空間で、情報を格納したDNAを劣化させることなく数千年にわたって安全に保存できる可能性があるという。この長期保存能力は、重要なデータの永続的な保管を必要とする分野において、革命的な解決策となる可能性がある。
DNAを用いた演算機能の実現
この新しいDNA技術の最も革新的な点は、データ保存だけでなく、演算機能も備えていることだ。従来のDNAベースの技術では、データの保存や一部の機能しか実現できなかったが、NC StateとJohns Hopkins Universityの研究チームは、データの保存、取り出し、計算、消去、書き換えなどの一連の機能を繰り返し実行できるシステムを開発した。
Keung氏は、この技術の意義について次のように述べている。「従来のコンピューティング技術では、データの保存方法と処理方法の互換性を当然のものとして扱ってきました。しかし実際には、データの保存と処理は別々の部分で行われており、現代のコンピューターは複雑な技術のネットワークなのです」。
この新技術では、DNAの情報をナノファイバーから区別して取り出すことができ、これによって電子デバイスと同様の多くの機能を実行することが可能になった。NC Stateの元PhD学生であるKevin Lin氏は、「DNAの情報を傷つけることなく、材料の表面から直接コピーすることができます。また、ハードドライブに保存された情報を削除して書き換えるのと同じように、DNAの特定の部分を消去して同じ表面に書き換えることもできます」と説明している。
研究チームは、この「primordial DNA store and compute engine（原始的DNAストレージおよび計算エンジン）」と呼ばれる技術が、単純な数独やチェスの問題を解くことができることを実証した。これは、DNAベースのコンピューターが実用的な計算タスクを実行できる可能性を示している。
この技術の実現には、複数の研究チームの協力が不可欠だった。NC StateのAdriana San Miguel氏は、材料をマイクロ流体チャネルに組み込む手法を開発し、核酸や試薬の流れを制御することで、データの移動や計算コマンドの開始を可能にした。Johns Hopkins UniversityのWinston Timp氏のチームは、ナノポアシーケンシングの専門知識を提供し、材料の表面からDNAにコピーした後のRNAデータを直接読み取ることを可能にした。さらに、NC StateのJames Tuck氏のチームは、データを核酸配列に変換し、その逆も行うアルゴリズムを開発し、潜在的なエラーを制御する手法を確立した。
将来的には、この技術が従来の電子ベースのコンピューターに代わる、より効率的で持続可能なコンピューティングソリューションとなる可能性がある。データセンターやそれを動かす発電所で地球の表面が覆われるような未来を避けるために、このようなオーガニックコンピューターは重要な役割を果たすかもしれない。
Keung氏は、この研究の意義について次のように締めくくっている。「分子データ保存と計算に関して多くの興奮がありますが、この分野がどれほど実用的になるかについては大きな疑問がありました。私たちは、コンピューティングの歴史を振り返り、ENIACの創造がこの分野にどのようなインスピレーションを与えたかを考えました。私たちは、分子コンピューティングの分野にインスピレーションを与えるようなものを開発したいと考えました。そして、私たちが行ったことがその方向への一歩であることを願っています」。
この革新的なDNA技術は、データ保存と計算の未来に新たな可能性を開くものであり、今後の発展が大いに期待される。
論文
参考文献
- NC State University: For First Time, DNA Tech Offers Both Data Storage and Computing Functions
研究の要旨
すなわち、データを安定的に運ぶ基板、その基板から特定のデータを繰り返し書き込み、読み出し、消去、再読み込み、計算する能力、そしてそのような機能をシームレスかつプログラマブルに実行する総合能力である。 発展途上の分子情報技術にとって、このような一連の原初的な能力を原理的に実現することは、その継続的発展のビジョンを前進させることになる。 ここでは、このような原初的な能力を捕らえたDNAベースの保存・計算エンジンを紹介する。 このシステムは、DNAにエンコードされた複数の画像ファイルから構成され、直径〜50μm、非常に多孔質で階層的に分岐した、天然に豊富に存在する酢酸セルロースからなるコロイド基材粒子に吸着される。 その表面積は200 cm2 mg−1 を超え、結合容量は1012 DNAオリゴmg−1、 10 TB mg−1 or 104 TB cm−3を超える。 この “デンドリコロイド “は、ベアDNAよりも安定的にDNAファイルを保持し、凍結乾燥と再水和をそれぞれ60回と比較して170回以上繰り返すことができる。 加速経時変化の研究では、4℃と-18℃での半減期はそれぞれ6,000年と200万年と予測されている。 データは消去や置換も可能で、明確な合成プロモーターからの転写により、非破壊的なファイルアクセスが達成される。 得られたRNA分子は、ナノポアシーケンスで直接読み取ることができ、また、単純化された3×3のチェスや数独の問題を解くために酵素的に計算することもできる。 我々の研究は、核酸の高い情報密度と並列計算の利点を利用するための実現可能なルートを確立した。
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