中国の科学者がDNAに漢字を保存！ DNAストレージは将来どのように発展するのでしょうか?

最近、東南大学の教師と学生のチームが、学校のモットーである「完璧を目指す」をDNA配列に保存することに成功し、DNA保存技術における新たな進歩を達成しました。関連する結果は国際学術誌「Science Advances」に掲載されました。

劉紅氏のチームは、従来の化学合成法を改良し、電気化学的手法を用いて、東南大学のモットーである「完璧を目指す」の4つの単語をDNA配列に「翻訳」し、それを電極上に保存し、読み出すことに成功した。

「私たちの重要なブレークスルーは、DNA合成と配列決定を統合することです。統合後は、DNAストレージの効率と精度が向上し、大規模なデータストレージの実現が容易になります。」

近年、この分野では DNA ストレージという新たな研究方向が開拓されました。この研究は、ビッグデータ時代のデータ保存の問題を解決するのに役立つでしょう。 ”

1994年、ビル・ゲイツは33万枚の紙の上に座り、CDを手に持ち、CDにはこれら33万枚の紙よりも多くのコンテンツを記録できると世界に語りました。

「今後5～15年で、中国の科学者たちはデータセンターに立ち、DNAの入ったチューブを手に持ち、ここに記録されているのは全世界の現在のデータだと世界に告げるだろう。」最近、中国科学院の院士であるファン・チュンハイ氏は、DNA保存技術の将来性についてこのような予測をしました。

DNA保存技術とは何ですか?なぜこれほど大きな期待を持って開催されるのでしょうか?

DNA保存技術が新たなブレークスルーを達成

インターネットや人工知能などの情報技術・デジタル技術の急速な発展により、情報量は飛躍的に増加しています。ディスク、ハードドライブ、フラッシュメモリなどの従来のストレージメディアは、世界中のデータストレージのニーズを徐々に満たせなくなってきました。

こうした中、情報技術とバイオテクノロジーを融合したDNAストレージ技術が徐々に注目されるようになってきました。

最近、東南大学の教師と学生のチームが、学校のモットーである「完璧を目指す」をDNA配列に保存することに成功し、DNA保存技術における新たな進歩を達成しました。関連する結果は国際学術誌「Science Advances」に掲載されました。

サウスイースト大学の教員と学生のチームによって開発された DNA ストレージ電極。写真は劉紅氏のチーム提供

「DNAは、定義された配列を持つ生物学的高分子です。DNAストレージ技術は、生物学的DNA分子をエンコードして、DNA配列に関する情報を保存することです」と、東南大学バイオエレクトロニクス国家重点研究室の劉紅教授は述べています。

劉紅氏のチームは、従来の化学合成法を改良し、電気化学的手法を用いて、東南大学のモットーである「完璧を目指す」の4つの単語をDNA配列に「翻訳」し、それを電極上に保存し、読み出すことに成功した。 「私は電気化学のバックグラウンドを持っているので、電極は私たちが最も頻繁に使用するツールなので、これを研究の出発点として利用しようと考えました。」

「我々の重要なブレークスルーは、DNA合成と配列決定の統合を実現したことだ。現在、ほとんどのDNAストレージの合成と配列決定は別々に行われており、これは実際には実験室での比較的基礎的な研究である」と劉紅氏は述べた。 「統合が実現すれば、DNAストレージの効率と精度が向上し、大規模なデータストレージの実現が容易になります。」

劉紅氏は、この研究の本来の目的について次のように語った。「東南大学バイオエレクトロニクス国家重点研究室はバイオエレクトロニクスの研究に取り組んできました。近年、この分野ではDNAストレージという新たな研究方向が開かれており、私たちは1年前にこの研究を開始しました。さらに重要なのは、この研究がビッグデータ時代のデータストレージの問題を解決するのに役立つことです。」

International Data Corporation (IDC) の統計によると、世界のデータ情報の総量は 2018 年の 30ZB (ゼタバイト) から 2025 年には 163ZB に増加する見込みです。

「現在、データが生成される速度は、これらのストレージメディアを生産する速度をはるかに上回っているため、この問題を解決するには新しいメディアを使用する必要があります」とLiu Hong氏は述べています。

DNAを記憶媒体として使用することに関して、Liu Hong氏は、DNAには当然の利点があると考えています。まず、情報密度が高いことです。 Microsoft Research による以前の推定によれば、1 立方ミリメートルの DNA には 1 EB (エクサバイト) のデータが保存できます。第二に、保存期間が長く、安定性が強いです。適切な条件下では、何万年も保存することができます。 3 つ目は、ストレージのエネルギー消費が非常に低いことです。

Liu Hong 氏のチームが正式な研究から新たなブレークスルーを達成するまでには、わずか 1 年強かかりました。 「しかし、多くの基礎研究は実はかなり以前から始まっている」と劉紅氏は言う。 2013年、劉紅氏は博士研究員としての仕事を終えて中国に戻り、電気化学センサーの研究を続けています。この 8 年間の蓄積が、DNA ストレージ技術の急速な進歩の強固な基盤を築きました。

劉紅教授（左）と学生たちがDNAストレージ電極を観察している。写真は劉紅氏のチーム提供

「論文を提出している間も、私たちは研究を改良し、多くの新しいデータを追加していました。そのため、論文はわずか数ページですが、計算資料はおそらく数十ページになります。」論文提出のプロセスを振り返り、劉紅氏は次のように述べた。「実際、科学研究におけるあらゆるつながりを無視することはできません。提出から改訂まで約3～4か月かかりました。」

校訓をDNA配列に保存することにした理由を尋ねられると、劉紅氏は率直にこう答えた。「校訓は東南大学のすべての教師と生徒のDNAに刻み込まれているからかもしれません。」

DNA ストレージ技術はどのような課題に直面していますか?

世界中のデータと情報の総量が指数関数的に増加する中、DNA ストレージ技術はさまざまな分野での応用を模索し始めています。 DNAストレージ技術は、その保存上の利点により、多くの国や地域の注目を集めています。

米国は、データの「書き込み」から「読み取り」までの複数の技術的プロセスを網羅する、最も関連性の高い計画とレイアウトを持つ国です。欧州連合はDNA保存技術の配置に関する明確な文書政策を発行していないものの、関連する研究開発に資金提供も行っている。日本、オーストラリア、その他の国々も合成生物学の分野への関心をさらに高めています。我が国も関連分野を整備しており、我が国の「第14次5カ年計画」では「量子コンピューティング、量子通信、ニューラルチップ、DNAストレージなどの最先端技術の整備を加速する」ことが明確に提案されています。

企業もこの分野の幅広い将来性を以前から強く認識してきました。米国のマイクロソフト社は、DNA ストレージ技術を研究した最も初期の企業の一つです。 2016年、マイクロソフトはデータストレージの研究のために1,000万本のDNAを購入すると発表しました。ファーウェイは2019年に戦略研究機関の設立を発表し、光コンピューティング、DNAストレージ、原子製造などの最先端技術の開発に注力すると述べた。今年のファーウェイグローバルアナリストカンファレンスで、ファーウェイのディレクター兼戦略研究所所長である徐文偉氏は、DNAストレージを使用して超大容量ストレージ空間モデルとエンコード技術を突破し、容量の壁を打ち破ると述べました。

DNAストレージ技術の応用シナリオについて、劉紅氏は、DNAストレージは長期的な情報保存が必要な場所での使用に適していると述べた。主にストレージ機能を果たし、頻繁に情報を読み取る必要はありません。

DNA ストレージ技術は大きな可能性を秘めていますが、その応用には依然として課題が残っています。

現在のDNAストレージ技術は、データの上書きや書き換え、ランダムな読み書きなどにより依然として制限されていることが分かっている。「特に、DNA合成のコストと効率は、依然としてDNAストレージ技術の発展を制限する主な課題です」と劉紅氏は述べた。業界アナリストは、DNAを使用して200MBのデータを保存するのに現在80万ドルのコストがかかると見積もっています。

「しかし、技術の継続的な発展により、コストはどんどん下がっていくと信じている」と劉紅氏は語った。

研究は重要な進歩を遂げているものの、劉紅氏はこれはまだ予備的な結果に過ぎないと考えている。 「より多くのデータを保存するために、私たちの次のステップは、大規模な電極アレイをベースにしたデータ保存を行うことです。現在取り組んでいるのは、ほんの第一歩にすぎません。DNAを記憶媒体として使用するには、まだ長い道のりが残っています」とLiu Hong氏は語った。

出典: 中国インターネット情報誌 (ID: newmedia_2014)

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