Даследнікі з Microsoft і Вашынгтонскага ўніверсітэта прадэманстравалі першую цалкам аўтаматызаваную сістэму захоўвання дадзеных у штучна створанай ДНК з магчымасцю счытвання. Гэта ключавы крок на шляху да пераносу новай тэхналогіі з даследчых лабараторый у камерцыйныя цэнтры апрацоўкі дадзеных.
Распрацоўнікі пацвердзілі канцэпцыю з дапамогай простага тэсту: паспяхова закадзіравалі слова "hello" ва фрагментах сінтэтычнай малекулы ДНК і пераўтварылі яго назад у лічбавыя дадзеныя, выкарыстоўваючы цалкам аўтаматызаваную скразную сістэму, якая апісана ў , Апублікаванай 21 сакавіка ў Nature Scientific Reports.
У малекулах ДНК можна захоўваць лічбавую інфармацыю з вельмі высокай шчыльнасцю, гэта значыць у фізічнай прасторы, якое на шмат парадкаў менш, чым займаюць сучасныя цэнтры апрацоўкі дадзеных. Гэта адно са шматабяцальных рашэнняў для захоўвання велізарнай колькасці дадзеных, якія свет генеруе кожны дзень, - ад дзелавых запісаў і відэа з мілымі жывёламі да медыцынскіх здымкаў і малюнкаў з космасу.
Microsoft вывучае спосабы пераадолення патэнцыйнага разрыву паміж і жадаем захоўваць, і нашай здольнасцю іх захоўваць. У лік такіх спосабаў уваходзіць распрацоўка алгарытмаў і тэхналогій малекулярных вылічэнняў для . Гэта дазволіла б змясціць усю інфармацыю, якая захоўваецца ў буйным сучасным цэнтры апрацоўкі дадзеных, у прастору, прыкладна роўнае памеру некалькіх ігральных костак.
«Наша галоўная мэта - запусціць у эксплуатацыю сістэму, якая для канчатковага карыстальніка будзе выглядаць амаль гэтак жа, як і любая іншая сістэма хмарнага захоўвання: звесткі адпраўляюцца ў цэнтр апрацоўкі дадзеных і захоўваюцца там, а затым проста з'яўляюцца, калі спатрэбяцца кліенту, - кажа старэйшы даследчык Microsoft Карын Штраўс. - Для гэтага нам трэба было даказаць, што гэта мае практычны сэнс з пункту гледжання аўтаматызацыі».
Інфармацыя захоўваецца ў сінтэтычных малекулах ДНК, створаных у лабараторыі, а не ў ДНК людзей ці іншых жывых істот, і можа быць зашыфравана перад адпраўкай у сістэму. Хоць складаныя машыны, такія як сінтэзатары і секвенсоры, ужо выконваюць ключавыя часткі працэсу, многія з прамежкавых этапаў да гэтага часу патрабавалі ручной працы ў даследчай лабараторыі. "Гэта не падыходзіць для камерцыйнага выкарыстання", – сказаў Крыс Такахашы, старшы навуковы супрацоўнік Школы інфарматыкі і тэхнікі імя Пола Алена ва Універсітэце ЗША ().
«Па цэнтры апрацоўкі дадзеных не могуць бегаць людзі з піпеткамі, пры такім падыходзе занадта высокая верагоднасць чалавечай памылкі, ён занадта дарагі і патрабуе занадта шмат месца», - растлумачыў Такахашы.
Каб гэты метад захоўвання дадзеных меў сэнс з камерцыйнага пункта гледжання, неабходна зменшыць выдаткі як на сінтэз ДНК - стварэнне фундаментальных будаўнічых блокаў са значнымі паслядоўнасцямі, так і на працэс секвенирования, які неабходзен для счытвання захаванай інфармацыі. Даследчыкі кажуць, што ў гэтым напрамку ідзе .
Па словах даследнікаў з Microsoft, аўтаматызацыя – яшчэ адна ключавая частка гэтай галаваломкі, якая дазваляе арганізаваць захоўванне дадзеных у камерцыйным маштабе і зрабіць яго больш даступным.
Пры выкананні пэўных умоў ДНК можа існаваць значна даўжэй, чым сучасныя сродкі архіўнага захоўвання, якія руйнуюцца на працягу дзесяцігоддзяў. Некаторым ДНК атрымалася захавацца ў далёкіх ад ідэалу ўмовах на працягу дзясяткаў тысяч гадоў - у біўнях маманта і ў касцях ранніх людзей. Значыць, даныя можна захоўваць такім спосабам, пакуль існуе чалавецтва.
Аўтаматызаваная сістэма захоўвання дадзеных ДНК выкарыстоўвае праграмнае забеспячэнне, распрацаванае спецыялістамі Microsoft і Вашынгтонскага ўніверсітэта (UW). Яно пераўтворыць адзінкі і нулі лічбавых дадзеных у паслядоўнасці нуклеатыдаў (A, T, C і G), якія ўяўляюць сабой "будаўнічыя блокі" ДНК. Затым сістэма выкарыстоўвае недарагое, у асноўным стандартнае, лабараторнае абсталяванне для падачы неабходных вадкасцей і рэагентаў у сінтэзатар, які збірае вырабленыя фрагменты ДНК і змяшчае іх у ёмістасць для захоўвання.
Калі сістэме неабходна атрымаць інфармацыю, яна дадае іншыя хімічныя рэчывы для правільнай падрыхтоўкі ДНК і выкарыстоўвае микрофлюидные помпы для прасоўвання вадкасцяў у тыя часткі сістэмы, якія счытваюць паслядоўнасці малекул ДНК і пераўтвораць іх назад у інфармацыю, зразумелую кампутару. Даследнікі кажуць, што мэтай праекту было не даказаць, што сістэма можа працаваць хутка ці танна, а проста паказаць, што аўтаматызацыя магчымая.
Адно з самых відавочных пераваг аўтаматызаванай сістэмы захоўвання ДНК заключаецца ў тым, што яна вызваляе навукоўцаў для вырашэння складаных задач, дазваляючы не марнаваць час на пошук бутэлек з рэагентамі або манатоннае даданне кропель вадкасці ў прабіркі.
"Наяўнасць аўтаматызаванай сістэмы для выканання паўтаральнай працы дазваляе супрацоўнікам лабараторый займацца непасрэдна даследаваннямі, распрацоўваць новыя стратэгіі, каб укараняць інавацыі хутчэй", – сказаў даследчык з Microsoft Біхлін Нгуен.
Каманда з Лабараторыі малекулярных інфармацыйных сістэм (MISL) ужо прадэманстравала, што можа захоўваць фатаграфіі коцікаў, выдатныя літаратурныя творы, і архіўныя запісы ў ДНК і здабываць гэтыя файлы без памылак. На сённяшні дзень яны змаглі захаваць у ДНК 1 гігабайт дадзеных, пабіўшы .
Даследнікі таксама распрацавалі метады для , такіх як пошук і выманне толькі малюнкаў, на якіх ёсць яблык або зялёны ровар, выкарыстоўваючы для гэтага самі малекулы, без пераўтварэння файлаў назад у лічбавы фармат.
«Можна з упэўненасцю сказаць, што мы назіраем нараджэнне кампутарнай сістэмы новага тыпу, у якой для захоўвання дадзеных выкарыстоўваюцца малекулы, а для кіравання і апрацоўкі – электроніка. Такое спалучэнне адкрывае вельмі цікавыя магчымасці на будучыню», - сказаў прафесар школы Алена Вашынгтонскага ўніверсітэта .
У адрозненне ад вылічальных сістэм на аснове крамянёвых кампанентаў, сістэмы захоўвання і вылічэнні на аснове ДНК павінны выкарыстоўваць вадкасці для перамяшчэння малекул. Але вадкасці па сваёй прыродзе адрозніваюцца ад электронаў і патрабуюць зусім новых тэхнічных рашэнняў.
Каманда Вашынгтонскага ўніверсітэта ў супрацоўніцтве з Microsoft распрацоўвае таксама праграмуемую сістэму, якая аўтаматызуе лабараторныя эксперыменты, выкарыстоўваючы ўласцівасці электрычнасці і воды для перасоўвання кропель на сетцы электродаў. Поўны набор праграмнага і апаратнага забеспячэння, які атрымаў назвы , можа змешваць, падзяляць, награваць ці астуджаць розныя вадкасці і выконваць лабараторныя пратаколы.
Мэта складаецца ў тым, каб аўтаматызаваць лабараторныя эксперыменты, якія ў наш час праводзяцца ўручную ці дарагімі робатамі, якія працуюць з вадкасцю, і скараціць выдаткі.
Наступныя крокі для каманды MISL уключаюць інтэграцыю простай скразной аўтаматызаванай сістэмы з такімі тэхналогіямі, як Purple Drop, а таксама з іншымі тэхналогіямі, якія дазваляюць выконваць пошук у малекулах ДНК. Даследнікі спецыяльна зрабілі сваю аўтаматызаваную сістэму модульнай, каб яна магла развівацца па меры з'яўлення новых тэхналогій для сінтэзу, секвеніравання і працы з ДНК.
«Адна з пераваг гэтай сістэмы заключаецца ў тым, што калі мы хочам замяніць адну з частак чымсьці новым, больш дасканалым або больш хуткім, мы можам проста падключыць новую частку, - сказаў Нгуен. - Гэта дае нам вялікую гнуткасць на будучыню ».
Верхняя выява: даследнікі з Microsoft і Вашынгтонскага ўніверсітэта запісалі і лічылі слова «добры дзень», выкарыстоўваючы першую цалкам аўтаматызаваную сістэму захоўвання дадзеных у ДНК. Гэта ключавы крок для пераносу новай тэхналогіі з лабараторый у камерцыйныя цэнтры апрацоўкі даных.
Крыніца: habr.com