Изследователи от Microsoft и Университета на Вашингтон показаха първата напълно автоматизирана система за съхранение на данни в изкуствено създадена ДНК, с възможност за прочитане. Това е ключова стъпка към пренасянето на новата технология от лаборатории за изследвания в търговски центрове за обработка на данни.
Разработчиците потвърдиха концепцията с прост тест: успешно кодираха думата "hello" във фрагменти от синтетична молекула ДНК и я преобразуваха обратно в цифрови данни, използвайки напълно автоматизирана система, описана в , публикувана на 21 март в Nature Scientific Reports.
В молекулите на ДНК може да се съхранява цифрова информация с много висока плътност, тоест в физическо пространство, което е много по-малко от това, заето от съвременните центрове за обработка на данни. Това е едно от обещаващите решения за съхранение на огромно количество данни, генерирани от света всеки ден - от бизнес записи и видеа с сладки животни до медицински изображения и изображения от космоса.
Microsoft изследва начини за преодоляване на потенциалната пропаст между и желаем да съхраняваме, и способността ни да ги съхраняваме. Включени в тези начини са разширяване на алгоритми и технологии за молекулярни изчисления за . Това би позволило да се вмести цялата информация, съхранявана в голям съвременен център за обработка на данни, в пространство, приблизително равно на размера на няколко игрални зарчета.
"Нашата основна цел е да стартираме система, която за крайния потребител да изглежда почти като всяка друга система за облачно съхранение: данните се изпращат в центъра за обработка на данни и се съхраняват там, а след това просто се появяват, когато са нужни на клиента," казва старшият изследовател на Microsoft Карин Штраус. "За това трябваше да докажем, че това има практически смисъл от гледна точка на автоматизацията."
Информация се съхранява в синтетични молекули ДНК, създадени в лаборатории, а не в ДНК на хора или други живи същества, и може да бъде криптирана преди да бъде изпратена в системата. Въпреки че сложни машини, като синтезатори и секвенсори, вече изпълняват ключови части от процеса, много от междинните етапи все още изискват ръчен труд в изследователска лаборатория. „Това не е подходящо за търговска употреба“, каза Крис Такахаши, старши научен сътрудник в Школата по компютърни науки и инженерство на Пол Г. Алън в Университета на САЩ.).
„В центровете за данни не могат да се разхождат хора с пипетки, при такъв подход вероятността за човешка грешка е твърде висока, той е твърде скъпо и изисква твърде много място“, обясни Такахаши.
За да има смисъл този метод на съхранение на данни от търговска гледна точка, е необходимо да се намалят разходите както за синтез на ДНК — създаване на основни строителни блокове със значими последователности, така и за процеса на секвениране, необходим за прочитане на запазената информация. Изследователите казват, че в тази посока се движи .
Според изследователи от Microsoft, автоматизацията е още една ключова част от тази головоломка, позволяваща организиране на съхранение на данни в търговски мащаб и правеща го по-достъпно.
При спазване на определени условия ДНК може да съществува много по-дълго от съвременните средства за архивно съхранение, които се разпадат в течение на десетилетия. На някои ДНК е успявало да се запази в далеч не идеални условия в течение на десетки хиляди години — в бивните на мамонти и в костите на ранните хора. Следователно данните могат да се съхраняват по този начин, докато съществува човечеството.
Автоматизирана система за съхранение на ДНК данни използва софтуер, разработен от специалисти на Microsoft и Вашингтонския университет (UW). Той преобразува единици и нули на цифровите данни в последователности от нуклеотиди (A, T, C и G), представляващи „строителните блокове“ на ДНК. След това системата използва евтино, предимно стандартно лабораторно оборудване, за да подаде необходимите течности и реагенти в синтетизатора, който събира изработените фрагменти от ДНК и ги поставя в съхранителен съд.
Когато на системата е необходимо да извлече информация, тя добавя други химически вещества за правилна подготовка на ДНК и използва микрофлуидни помпи, за да прокара течностите в онези части на системата, които четат последователностите на ДНК молекулите и ги преобразуват обратно в информация, разбираема за компютъра. Изследователите казват, че целта на проекта не е била да докаже, че системата може да работи бързо или евтино, а просто да покаже, че автоматизацията е възможна.
Едно от най-очевидните предимства на автоматизираната система за съхранение на ДНК е, че тя освобождава учените за решаване на сложни задачи, като не им позволява да губят време в търсене на бутилки с реагенти или монотонно добавяне на капки течност в епруветки.
„Наличието на автоматизирана система за изпълнение на повтаряща се работа позволява на лабораторните служители да се фокусират директно върху изследванията, да разработват нови стратегии за по-бързо внедряване на иновации“, каза изследователят от Microsoft Бихлин Нгуен.
Екипът от Лабораторията за молекулни информационни системи (MISL) вече демонстрира, че може да съхранява снимки на котки, забележителни литературни произведения, и архивни записи в ДНК и да извлича тези файлове без грешки. До момента те успяха да запазят в ДНК 1 гигабайт данни, счупвайки .
Изследователите също така разработиха методи за , като търсене и извличане само на изображения, на които има ябълка или зелен велосипед, използвайки самите молекули, без да преобразуват файловете обратно в цифров формат.
«С доверие можем да кажем, че наблюдаваме раждането на компютърна система от нов тип, в която молекули се използват за съхранение на данни, а електроника – за управление и обработка. Тази комбинация отваря много интересни възможности за бъдещето», каза професорът от училището на Алън в Университета на Вашингтон. .
В отличие от изчислителните системи на базата на кремниеви компоненти, системите за съхранение и изчисление на базата на ДНК трябва да използват течности за преместване на молекулите. Но течностите по природа се различават от електроните и изискват напълно нови технически решения.
Екипът на Университета на Вашингтон в сътрудничество с Microsoft разработва също програмируема система, която автоматизира лабораторни експерименти, използвайки свойствата на електричеството и водата за преместване на капки по решетка от електроди. Пълният комплект софтуер и хардуер, получил наименованията , може да смеси, раздели, нагрее или охлади различни течности и да изпълни лабораторни протоколи.
Целта е да се автоматизират лабораторните експерименти, които в момента се провеждат ръчно или с помощта на скъпи роботи, работещи с течности, и да се намалят разходите.
Следващите стъпки за екипа на MISL включват интегриране на прост автоматизиран интерфейс с технологии като PurpleDrop, а също и с други технологии, които позволяват търсене в молекулите на ДНК. Изследователите специално направиха своята автоматизирана система модулна, за да може да се развива с появата на нови технологии за синтез, секвениране и работа с ДНК.
«Едно от предимствата на тази система е, че ако искаме да заменим една от частите с нещо ново, по-съвършено или по-бързо, просто можем да свържем новата част», каза Нгуен. «Това ни дава по-голяма гъвкавост за бъдещето».
Горната снимка: изследователи от Microsoft и Университета на Вашингтон записаха и прочетоха думата «hello», използвайки първата напълно автоматизирана система за съхранение на данни в ДНК. Това е ключова стъпка за преноса на новата технология от лабораториите към търговските центрове за данни.
Източник: habr.com
