Изследователи от Microsoft и Университета на Вашингтон демонстрираха първата напълно автоматизирана, четима система за съхранение на данни за изкуствено създадена ДНК. Това е ключова стъпка към преместването на нови технологии от изследователски лаборатории към търговски центрове за данни.
Разработчиците доказаха концепцията с прост тест: те успешно кодираха думата „здравей“ във фрагменти от синтетична ДНК молекула и я преобразуваха обратно в цифрови данни, използвайки напълно автоматизирана система от край до край, която е описана в , публикуван на 21 март в Nature Scientific Reports.
ДНК молекулите могат да съхраняват цифрова информация при много висока плътност, тоест във физическо пространство, което е много порядъци по-малко от това, заето от съвременните центрове за данни. Това е едно от обещаващите решения за съхраняване на огромното количество данни, които светът генерира всеки ден, от бизнес записи и видеоклипове на сладки животни до медицински снимки и изображения от космоса.
Microsoft проучва начини за преодоляване на потенциалната пропаст между и ние искаме да запазим и нашата способност да ги запазим. Тези методи включват разработването на алгоритми и молекулярни изчислителни технологии за . Това би позволило цялата информация, съхранявана в голям модерен център за данни, да се побере в пространство с размер приблизително на няколко зара.
„Нашата основна цел е да пуснем в производство система, която за крайния потребител изглежда почти същата като всяка друга система за съхранение в облак: информацията се изпраща до центъра за данни и се съхранява там, а след това просто се появява, когато клиентът има нужда от нея ”, казва старши изследователят на Microsoft Карин Щраус. „За да направим това, трябваше да докажем, че има практически смисъл от гледна точка на автоматизацията.“
Информацията се съхранява в синтетични ДНК молекули, създадени в лаборатория, а не в ДНК на хора или други живи същества, и може да бъде криптирана, преди да бъде изпратена до системата. Въпреки че сложни машини като синтезатори и секвенсори вече изпълняват ключови части от процеса, много от междинните стъпки досега изискваха ръчен труд в изследователска лаборатория. „Не е подходящ за търговска употреба“, каза Крис Такахаши, старши научен сътрудник в Училището по компютърни науки и инженерство Пол Алън към USF ().
„Не можете да карате хора да тичат из центъра за данни с пипети, той е твърде податлив на човешка грешка, твърде скъп е и заема твърде много място“, обясни Такахаши.
За да има смисъл този метод за съхранение на данни от търговска гледна точка, трябва да се намалят разходите както за синтеза на ДНК - създаване на основните градивни елементи на значими последователности - така и за процеса на секвениране, необходим за четене на съхранената информация. Изследователите казват, че това е посоката .
Автоматизацията е друга ключова част от пъзела, която прави съхранението на данни в търговски мащаб и по-достъпно, според изследователите на Microsoft.
При определени условия ДНК може да издържи много по-дълго от модерните системи за архивно съхранение, които се разграждат с десетилетия. Част от ДНК е успяла да оцелее в не толкова идеални условия в продължение на десетки хиляди години - в бивни на мамут и в костите на ранните хора. Това означава, че данните могат да се съхраняват по този начин, докато съществува човечеството.
Автоматизираната система за съхранение на ДНК използва софтуер, разработен от Microsoft и Университета на Вашингтон (UW). Той преобразува единиците и нулите на цифровите данни в последователности от нуклеотиди (A, T, C и G), които са „градивните елементи“ на ДНК. След това системата използва евтино, предимно готово лабораторно оборудване, за да достави необходимите течности и реактиви към синтезатор, който събира произведените ДНК фрагменти и ги поставя в контейнер за съхранение.
Когато системата трябва да извлече информация, тя добавя други химикали, за да подготви правилно ДНК и използва микрофлуидни помпи, за да избута течности в части от системата, които четат последователностите на ДНК молекулите и ги превръщат обратно в информация, която компютърът може да разбере. 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 да решават сложни проблеми, без да губят време в търсене на бутилки с реактиви или монотонното добавяне на капки течност в епруветките.
„Наличието на автоматизирана система за извършване на повтаряща се работа позволява на лабораториите да се съсредоточат директно върху изследванията и да разработят нови стратегии за по-бързи иновации“, каза изследователят на Microsoft Бихлин Нгуен.
Екип от Лаборатория по молекулярни информационни системи (MISL) вече демонстрира, че може да съхранява снимки на котки, прекрасни литературни произведения, и архивирани ДНК записи и извличане на тези файлове без грешки. Към днешна дата те са успели да съхранят 1 гигабайт данни в ДНК, побеждавайки .
Изследователите също са разработили методи за като намиране и извличане само на изображения, които съдържат ябълка или зелен велосипед, като се използват самите молекули, без да се конвертират файловете обратно в цифров формат.
„С увереност може да се каже, че сме свидетели на раждането на нов тип компютърна система, в която молекулите се използват за съхранение на данни и електроника за контрол и обработка. Тази комбинация разкрива много интересни възможности за бъдещето“, каза професорът от училището на Алън във Вашингтонския университет. .
За разлика от изчислителните системи, базирани на силиций, базираните на ДНК системи за съхранение и изчисления трябва да използват течности за преместване на молекули. Но течностите са различни по природа от електроните и изискват напълно нови технически решения.
Екипът на Университета във Вашингтон, в сътрудничество с Microsoft, също разработва програмируема система, която автоматизира лабораторни експерименти, като използва свойствата на електричеството и водата за преместване на капчици върху решетка от електроди. Пълен комплект софтуер и хардуер т.нар , може да смесва, разделя, нагрява или охлажда различни течности и изпълнява лабораторни протоколи.
Целта е да се автоматизират лабораторните експерименти, които в момента се извършват ръчно или от скъпи роботи за работа с течности, и да се намалят разходите.
Следващите стъпки за екипа на MISL включват интегриране на проста автоматизирана система от край до край с технологии като Purple Drop, както и други технологии, които позволяват търсене на ДНК молекули. Изследователите умишлено са направили автоматизираната си система модулна, така че да може да се развива с появата на нови технологии за ДНК синтез, секвениране и манипулиране.
„Едно от предимствата на тази система е, че ако искаме да заменим една от частите с нещо ново, по-добро или по-бързо, можем просто да включим новата част“, каза Нгуен. „Това ни дава повече гъвкавост за бъдещето.“
Горно изображение: Изследователи от Microsoft и Университета на Вашингтон записаха и преброиха думата "здравей“, използвайки първата напълно автоматизирана система за съхранение на ДНК данни. Това е ключова стъпка в преместването на нови технологии от лаборатории към търговски центрове за данни.
Източник: www.habr.com