[論文レビュー] Natural Data Storage: A Review on sending Information from now to then via Nature

Dixita Limbachiya, Manish K. Gupta|arXiv (Cornell University)|May 19, 2015

Genetics, Bioinformatics, and Biomedical Research被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、DNA、細菌、タンパク質を用いた自然的データ保存を、従来のデジタル保存の代替手段として、長期的かつ安定的でエネルギー効率の良い方法としてレビューしている。DNAの高い密度と誤り訂正能力に注目し、100％のデータ復元精度を達成した実験が成功裏に終了した。一方で、符号化、アクセス速度、スケーラビリティに関する課題も提示している。

ABSTRACT

Digital data explosion drives a demand for robust and reliable data storage medium. Development of better digital storage device to accumulate Zetta bytes (1 ZB = $10^{21}$ bytes ) of data that will be generated in near future is a big challenge. Looking at limitations of present day digital storage devices, it will soon be a big challenge for data scientists to provide reliable. affordable and dense storage medium. As an alternative, researcher used natural medium of storage like DNA, bacteria and protein as information storage systems. This article discuss DNA based information storage system in detail along with an overview about bacterial and protein data storage systems.

研究の動機と目的

• エクサバイト規模のデジタルデータをエネルギー効率よく、耐久性があり、スケーラブルな解決策で保管するという増大する課題に対処すること。
• DNA、細菌、タンパク質といった自然の生物学的システムを、長期的データ保存の実用的媒体として探ること。
• 生物学的ストレージシステムの実現可能性、符号化法、技術的課題を評価すること。
• 商業的実現可能性を高めるために、符号化アルゴリズム、データ復元速度、システムスケーラビリティの分野における主な研究ギャップを特定すること。

提案手法

• デジタルデータをヌクレオチド配列に変換することでDNAをストレージ媒体として使用し、4進法符号化（例：00→AT、11→CG）を用い、1バイトあたり4塩基対を実現する。
• 誤り訂正コードと生物学的修復メカニズムを導入し、長期保存中のデータ整合性を保証する。
• 電界勾配を用いたデータ輸送を可能にする物理的チャンバーを備えた分子ストレージアーキテクチャを提案する。
• 合成生物学的手法を用い、非コーディング領域やコーディング領域のDNAにデータを埋め込み、ミコプラズマ・マイコイイデスなどの細菌の合成染色体にデータを埋め込む。
• バイナリデータをタンパク質の状態（例：暗い・明るい、緑色・赤色）にマッピングすることでタンパク質ベースのストレージを調査する。
• 既存の分子生物学ツール（DNA合成、シークエンシング、マイクロフルイディクスシステム）を活用し、データの書き込みと読み取りを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DNAは、エクサバイト規模のデータを、信頼性があり、高密度かつ耐久性のあるアーカイブストレージ媒体として機能できるか？
• RQ2 DNAや細菌のような生物学的システムに格納されたデータの符号化、復元、ランダムアクセスにおいて、主な課題は何か？
• RQ3 自然の生物学的システムに内在する誤り訂正および自己修復メカニズムを、強固なデータストレージにどう活用できるか？
• RQ4 スケーラビリティ、セキュリティ、データアクセス速度の観点から、細菌およびタンパク質ベースのデータストレージの実用的限界は何か？
• RQ5 合成生物学は、プログラマブルで、リライト可能で、自己複製可能な生物学的ストレージデバイスの創出をどの程度可能にするか？

主な発見

• DNAベースのストレージは、極端な条件下でも100％のデータ復元精度を達成し、アーカイブ用途における高い信頼性を示した。
• 1グラムのDNAは最大490エクサバイト（EB）のデータを格納可能であり、驚異的なストレージ密度を示している。
• 細菌系は1グラムあたり最大4,502,000ギガバイトを格納可能で、自己複製と高い複製率によりデータの持続性を実現している。
• タンパク質ベースのストレージはまだほとんど調査が進んでいないが、色の状態を用いた符号化（例：暗い・明るい、緑色・赤色）によりバイナリデータを表現する可能性を示している。
• 現在のDNAストレージにおけるデータアクセス速度は低く（12 kbit/s）、理論上の容量は高いが実用性に制限がある。
• 合成生物学により、埋め込みウォーターマークデータを有する自己複製可能な細菌細胞が作成された。これは生物学的データストレージの概念的実証である。