Výzkumníci z Microsoftu a Washingtonské univerzity představili první plně automatizovaný systém pro ukládání dat v uměle vytvořené DNA s možností čtení. To je klíčový krok směrem k převodu nové technologie z výzkumných laboratoří do komerčních datových center.
Vývojáři potvrdili koncept pomocí jednoduchého testu: úspěšně zakódovali slovo „hello“ do fragmentů syntetické molekuly DNA a převedli ho zpět na digitální data, pomocí plně automatizovaného koncového systému, který je popsán v , publikovaném 21. března v Nature Scientific Reports.
V molekulách DNA lze uchovávat digitální informace s velmi vysokou hustotou, to znamená v fyzickém prostoru, který je o mnoho řádů menší, než jaký zabírají moderní datová centra. To je jedno z nadějných řešení pro ukládání obrovského množství dat, která svět generuje každý den – od obchodních záznamů a videí s roztomilými zvířaty po lékařské snímky a obrázky z vesmíru.
Microsoft zkoumá způsoby, jak překonat potenciální rozdíl mezi a chceme uchovávat, a naší schopností je uložit. Mezi takové způsoby patří vývoj algoritmů a technologií molekulárních výpočtů pro . To by umožnilo umístit veškeré informace uložené v velkém moderním datovém centru do prostoru, který je přibližně velikosti několika hracích kostek.
„Naším hlavním cílem je uvést do provozu systém, který pro koncového uživatele bude vypadat téměř stejně jako jakýkoli jiný systém cloudového ukládání: údaje jsou zasílány do datového centra a tam uloženy, a poté se prostě objevují, když je zákazník potřebuje,“ říká senior researcher Microsoftu Karin Strauss. „K tomu jsme museli prokázat, že má praktický smysl z hlediska automatizace.“
Informace je uchovávána v syntetických DNA molekulách vyrobených v laboratoři, nikoli v DNA lidí nebo jiných živých bytostí, a může být šifrována před odesláním do systému. Ačkoli složité stroje, jako jsou syntetizéry a sekvenátory, již vykonávají klíčové části procesu, mnoho z mezistupňů stále vyžaduje ruční práci v výzkumné laboratoři. "To není vhodné pro komerční využití," řekl Chris Takahashi, hlavní vědecký pracovník na Polu G. Allen School of Computer Science & Engineering na Univerzitě v USA.).
"V datovém centru nemohou běhat lidé s pipetami, při takovém přístupu je příliš vysoká pravděpodobnost lidské chyby, je to příliš nákladné a vyžaduje to příliš mnoho místa," vysvětlil Takahashi.
Aby měl tento způsob uchovávání dat komerční smysl, je nutné snížit náklady jak na syntézu DNA – vytváření základních stavebních bloků se významnými sekvencemi, tak na proces sekvenování, který je nezbytný pro čtení uložených informací. Vědci tvrdí, že v tomto směru probíhá .
Podle vědců z Microsoftu je automatizace dalším klíčovým částí této skládačky, která umožňuje organizovat uchovávání dat v komerčním měřítku a učinit ho dostupnějším.
Za určitých podmínek může DNA existovat mnohem déle než současné prostředky archivního uchovávání, které se rozpadnou během desetiletí. Některé DNA se podařilo uchovat v méně než ideálních podmínkách po desítky tisíc let – v mamutích klů a v kostech raných lidí. To znamená, že data lze uchovávat tímto způsobem, dokud existuje lidstvo.
Automatizovaný systém ukládání dat DNA používá software vyvinutý specialisty Microsoft a Washingtonské univerzity (UW). Ten převádí jedničky a nuly digitálních dat na sekvence nukleotidů (A, T, C a G), které představují "stavební bloky" DNA. Systém pak využívá cenově dostupné, většinou standardní laboratořní vybavení k dodávání potřebných kapalin a reagentů do syntetizátoru, který skládá vyrobené fragmenty DNA a umisťuje je do úložné nádoby.
Když je třeba informace vyjmout, systém přidává další chemikálie pro správnou přípravu DNA a používá mikrofluidní čerpadla k posouvání kapalin do těch částí systému, které čtou sekvence molekul DNA a převádějí je zpět na informace srozumitelné počítači. Výzkumníci říkají, že cílem projektu nebylo prokázat, že systém může fungovat rychle nebo levně, ale jednoduše ukázat, že automatizace je možná.
Jednou z nejvíce zřejmých výhod automatizovaného systému ukládání DNA je to, že uvolňuje vědce k řešení složitějších problémů, aniž by museli trávit čas hledáním lahví s reagenty nebo monotónním přidáváním kapek kapaliny do zkumavek.
"Mít automatizovaný systém pro vykonávání opakované práce umožňuje pracovníkům laboratoří soustředit se na vlastní výzkum a vyvíjet nové strategie, jak zavádět inovace rychleji," řekl výzkumník z Microsoftu Bihlin Nguyen.
Tým z Laboratoře molekulárních informačních systémů (MISL) již prokázal, že může ukládat fotografie koček, úžasná literární díla, a archivy v DNA a tyto soubory vyjmout bez chyb. Dosud se jim podařilo uložit v DNA 1 gigabyte dat, což překonává .
Vědci také vyvinuli metody pro , jako je vyhledávání a extrakce pouze obrázků, na kterých je jablko nebo zelený bicykl, přičemž k tomu využívají samotné molekuly, aniž by převáděli soubory zpět do digitálního formátu.
„S důvěrou můžeme říci, že jsme svědky zrození nového typu počítačového systému, ve kterém jsou molekuly používány pro ukládání dat a elektronika pro řízení a zpracování. Tato kombinace otevírá velmi zajímavé možnosti pro budoucnost,“ řekl profesor z Allen School na Washingtonské univerzitě. .
Na rozdíl od výpočetních systémů založených na křemíkových komponentech musí systémy pro ukládání a výpočty založené na DNA používat kapaliny k přesunu molekul. Ale kapaliny jsou od elektronů svou podstatou odlišné a vyžadují zcela nová technická řešení.
Tým Washingtonské univerzity ve spolupráci s Microsoftem také vyvíjí programovatelný systém, který automatizuje laboratorní experimenty pomocí vlastností elektřiny a vody k přesunu kapek na mřížce elektrod. Kompletní sada softwaru a hardwaru, která nese název , může míchat, oddělovat, zahřívat nebo chladit různé kapaliny a vykonávat laboratorní protokoly.
Cílem je automatizovat laboratorní experimenty, které jsou v současnosti prováděny ručně nebo drahými roboty pracujícími s kapalinou, a snížit náklady.
Dalšími kroky pro tým MISL je integrace jednoduchého průchozího automatizovaného systému s technologiemi jako Purple Drop a dalšími technologiemi, které umožňují vyhledávání v molekulách DNA. Vědci speciálně navrhli své automatizované systémy jako modulární, aby bylo možné je rozšiřovat v souladu s novými technologiemi pro syntézu, sekvenování a práci s DNA.
„Jednou z výhod tohoto systému je to, že pokud chceme nahradit jednu z částí něčím novým, dokonalejším nebo rychlejším, můžeme jednoduše připojit novou část,“ řekl Nguyen. „To nám dává větší flexibilitu do budoucna.“
Horní obrázek: Výzkumníci z Microsoftu a Washingtonské univerzity zaznamenali a přečetli slovo „hello“, pomocí prvního plně automatizovaného systému pro ukládání dat v DNA. To je klíčový krok pro přenos nové technologie z laboratoří do komerčních datových center.
Zdroj: habr.com
