以前、未来のデータストレージはDNAベースになり、日々増大するデータの構洪水から人類を救ってくれる可能性があるとTEXALでも報じたが、このDNAストレージの実現に繋がる新たな研究が発表された。

シンガポール国立大学（NUS）の研究チームは、生きた細胞のDNA内部の画像を撮影・保存できる「生物学的カメラ」（「BacCam」とも呼ばれる）を開発したのだ。

「われわれの方法は、生物学的システムとデジタル・デバイスの統合における大きなマイルストーンとなります。DNAと光遺伝学的回路の力を利用することで、われわれは、DNAデータ保存に費用対効果が高く効率的なアプローチを提供する、初の『生きたデジタルカメラ』を開発したのです」と、研究者の一人で、NUSの生物医学工学教授であるPoh Chueh Loo氏は語った。

2018年、人類が生み出したデータの総量は33ZB（ゼタバイト：33 ZB = 33 x 10¹² GB）に達し、2025年には175ZBになると予想されている。このデータを保存するためには、莫大な面積のデータセンターが必要となり、多くの電力を消費する必要があるのだ。

MITの報告書によると、現在、データセンターを稼働させる電力は、世界の二酸化炭素排出量の0.3％に寄与しているという。さらに、「ノートパソコン、スマートフォン、タブレット端末のようなネットワーク接続されたデバイスも含めると、その合計は世界の炭素排出量の2パーセントになる」とMITの研究者は指摘している。

このため、科学者たちは代替のデータ保存ソリューションを探しており、DNAはそのための最も有望な媒体の一つとして浮上している。

「私たちは差し迫ったデータ過多の事態に直面しています。地球上のあらゆる生物の重要な生体物質であるDNAは、さまざまな生命機能を担うタンパク質の配列をコード化する遺伝情報を保存しています。1グラムのDNAには215,000TBを超えるデータを保存できます。これは、DVD4,500万枚分にも相当します」とPoh Chueh Loo准教授は語った。

これまで提案されてきたDNAデータ保存ソリューションの多くは、生きた細胞の外で作られた合成DNAに依存している。しかし、研究者たちによれば、この方法は複雑な装置を必要とし、多額の資金を必要とするため、実現不可能であるという。

さらに、コピー中にエラーが発生し、データの劣化につながる可能性さえある。そこで研究者たちは、合成DNAの代わりに生きたDNAを使って情報を保存することを提案し、この偉業を達成するために世界初の生物学的カメラ『BacCam』を開発した。

現代のデジタルカメラと同様に、画像を撮影し保存することができる。しかし、デジタルカメラがメモリーカードを使って情報を保存するのに対し、BacCamはDNAを使って情報を符号化し保存するという違いがある。

BacCamの動作メカニズムを説明しながら、Poh氏は次のように語った。「細胞内のDNAを未現像の写真フィルムと想像してみてください。オプトジェネティクス（カメラのシャッター機構のように光で細胞の活動を制御する技術）を使って、DNAの “フィルム “に光信号を転写することで “画像 “を撮影することに成功したのです」。

基本的に、BacCamは、カメラが複数の光の色を利用するのと同じように、同時に画像をキャプチャして保存する。

「光の多重化能力によって、異なる波長の光を利用して、さらに多くの情報をエンコードすることができます」。

画像が取り込まれると、バーコードを使ってラベル付けされ、AIプログラムによって生きた細胞のDNAに整理された形で保存される。研究期間中、科学者たちはDNAプールから複数の画像を保存、分類、検索するBacCamのテストに成功した。

生きた細胞内にデータを保存することが可能に

合成DNAベースのデータ・ソリューションの場合、科学者はまずラボ環境でDNAをゼロから作る必要がある。その上、高度な専門知識も必要となる。

一方、NUSの研究チームは、生細胞のDNAをストレージに利用すれば、データを保存するための既存の合成DNAを使い切るたびに、科学者が自分で新しいDNAを作成する必要がないため、費用対効果が高く、スケールアップも容易だと主張している。

さらに、BacCamのようなシステムを使えば、生きているDNAを使って新しい情報を捕捉し、同時に記録することができる。うまくいけば、実現可能で、より優れた、より利用しやすいDNAデータ保存の新しい道が開けるかもしれない。

論文

• Nature Communications: A biological camera that captures and stores images directly into DNA

参考文献

• National University of Singapore: Capturing the immense potential of microscopic DNA for data storage
• via NewAtlas: “Biological camera” stores data in DNA of living bacteria

研究の要旨

生物学的インターフェースとデジタル・インターフェースの統合が進むにつれて、デジタル・データを保存するために生物学的材料を利用することへの関心が高まっている。最も有望なのは、de novo DNA合成によって作成されるDNAの定義された配列内にデータを保存することである。しかし、デノボDNA合成の必要性をなくす方法はまだ見つかっていない。本研究では、光遺伝学的回路を利用してDNAに光の照射を記録し、空間的位置をバーコードで符号化し、ハイスループットの次世代シーケンサーで保存された画像を取り出すことにより、2次元の光パターンをDNAに取り込む方法を詳述する。我々は、合計1152ビットの複数の画像をDNAにエンコードすること、選択的に画像を取り出すこと、さらに乾燥、熱、紫外線に対する堅牢性を実証する。また、赤色光と青色光を用いて2つの異なる画像を同時に取り込み、複数の波長光を用いた多重化にも成功している。この研究により、「生きたデジタルカメラ」が確立され、生体システムとデジタル機器との統合への道が開かれる。