Vědci z Microsoftu a Washingtonské univerzity předvedli první plně automatizovaný, čitelný systém ukládání dat pro uměle vytvořenou DNA. Jde o klíčový krok k přesunu nové technologie z výzkumných laboratoří do komerčních datových center.
Vývojáři koncept prokázali jednoduchým testem: slovo „ahoj“ úspěšně zakódovali do fragmentů syntetické molekuly DNA a převedli je zpět na digitální data pomocí plně automatizovaného end-to-end systému, který je popsán v , publikované 21. března v Nature Scientific Reports.
Molekuly DNA mohou uchovávat digitální informace ve velmi vysokých hustotách, tedy ve fyzickém prostoru, který je o mnoho řádů menší než ten, který zabírají moderní datová centra. Je to jedno ze slibných řešení pro ukládání obrovského množství dat, které svět každý den generuje, od obchodních záznamů a videí roztomilých zvířat až po lékařské fotografie a snímky z vesmíru.
Microsoft zkoumá způsoby, jak překlenout potenciální propast mezi nimi a my je chceme zachovat a naše schopnost je zachovat. Tyto metody zahrnují vývoj algoritmů a molekulárních výpočetních technologií pro . To by umožnilo, aby se všechny informace uložené ve velkém moderním datovém centru vešly do prostoru o velikosti zhruba několika kostek.
„Naším hlavním cílem je spustit systém, který bude pro koncového uživatele vypadat téměř stejně jako jakýkoli jiný cloudový úložný systém: informace se odesílají do datového centra a tam se ukládají a pak se jednoduše objeví, když je klient potřebuje. “ říká výzkumnice Sr. Microsoft Karin Strauss. "Abychom toho dosáhli, museli jsme dokázat, že to dává praktický smysl z hlediska automatizace."
Informace jsou uloženy v syntetických molekulách DNA vytvořených v laboratoři, nikoli v DNA lidí nebo jiných živých věcí, a mohou být před odesláním do systému zašifrovány. Ačkoli složité stroje, jako jsou syntezátory a sekvencery, již provádějí klíčové části procesu, mnoho z mezikroků dosud vyžadovalo ruční práci ve výzkumné laboratoři. "Není vhodný pro komerční použití," řekl Chris Takahashi, vedoucí výzkumný pracovník na Paul Allen School of Computer Science and Engineering na USF ().
„Nemůžete nechat lidi běhat po datovém centru s pipetami, je to příliš náchylné k lidské chybě, je to příliš drahé a zabírá to příliš mnoho místa,“ vysvětlil Takahashi.
Aby tato metoda ukládání dat měla komerčně smysl, musí být sníženy náklady na syntézu DNA – vytváření základních stavebních bloků smysluplných sekvencí – a na proces sekvenování potřebný ke čtení uložených informací. Výzkumníci říkají, že toto je směr .
Automatizace je podle výzkumníků Microsoftu dalším klíčovým kouskem skládačky, díky níž je ukládání dat v komerčním měřítku a cenově dostupnější.
Za určitých podmínek může DNA vydržet mnohem déle než moderní archivní úložné systémy, které se po desetiletí degradují. Některým DNA se podařilo přežít v méně než ideálních podmínkách po desítky tisíc let – v mamutích klech a v kostech raných lidí. To znamená, že data lze tímto způsobem uchovávat, dokud existuje lidstvo.
Automatizovaný systém ukládání DNA využívá software vyvinutý společností Microsoft a University of Washington (UW). Převádí jedničky a nuly digitálních dat na sekvence nukleotidů (A, T, C a G), které jsou „stavebními kameny“ DNA. Systém pak používá levné, většinou běžně dostupné laboratorní vybavení k dodávání potřebných tekutin a činidel do syntetizátoru, který shromažďuje vyrobené fragmenty DNA a umístí je do skladovacího kontejneru.
Když systém potřebuje extrahovat informace, přidá další chemikálie, aby správně připravil DNA, a pomocí mikrofluidních čerpadel tlačí tekutiny do částí systému, které čtou sekvence molekul DNA a převádějí je zpět na informace, kterým počítač rozumí. Vědci tvrdí, že cílem projektu nebylo dokázat, že systém může fungovat rychle nebo levně, ale jednoduše ukázat, že automatizace je možná.
Jednou z nejviditelnějších výhod automatizovaného systému ukládání DNA je to, že umožňuje vědcům řešit složité problémy, aniž by ztráceli čas hledáním lahviček s činidly nebo monotónním přidáváním kapek kapaliny do zkumavek.
„Automatizovaný systém pro opakující se práci umožňuje laboratořím zaměřit se přímo na výzkum a vyvíjet nové strategie pro rychlejší inovace,“ řekl výzkumník Microsoftu Bihlin Nguyen.
Tým z Laboratoře molekulárních informačních systémů (MISL) již prokázala, že dokáže ukládat fotografie koček, nádherná literární díla, a archivovali záznamy DNA a extrahovali tyto soubory bez chyb. K dnešnímu dni byli schopni uložit 1 gigabajt dat v DNA, což porazilo .
Výzkumníci také vyvinuli metody pro jako je vyhledávání a získávání pouze obrázků, které obsahují jablko nebo zelené kolo pomocí samotných molekul, bez převodu souborů zpět do digitálního formátu.
„S jistotou můžeme říci, že jsme svědky zrodu nového typu počítačového systému, ve kterém se molekuly používají pro ukládání dat a elektronika pro řízení a zpracování. Tato kombinace otevírá velmi zajímavé možnosti do budoucna,“ řekl profesor Allen School z University of Washington. .
Na rozdíl od počítačových systémů na bázi křemíku musí úložné a výpočetní systémy založené na DNA používat k pohybu molekul tekutiny. Ale kapaliny jsou svou povahou odlišné od elektronů a vyžadují zcela nová technická řešení.
Tým University of Washington ve spolupráci s Microsoftem také vyvíjí programovatelný systém, který automatizuje laboratorní experimenty pomocí vlastností elektřiny a vody k pohybu kapiček na mřížce elektrod. Kompletní sada softwaru a hardwaru tzv , může míchat, oddělovat, ohřívat nebo chladit různé kapaliny a provádět laboratorní protokoly.
Cílem je automatizovat laboratorní experimenty, které se v současnosti provádějí ručně nebo pomocí drahých robotů manipulujících s kapalinami, a snížit náklady.
Mezi další kroky týmu MISL patří integrace jednoduchého, komplexního automatizovaného systému s technologiemi, jako je Purple Drop, a dalšími technologiemi, které umožňují vyhledávání molekul DNA. Výzkumníci záměrně vyrobili svůj automatizovaný systém modulární, aby se mohl vyvíjet s novými technologiemi pro syntézu DNA, sekvenování a manipulaci.
„Jednou z výhod tohoto systému je, že pokud chceme nahradit jednu z částí něčím novým, lepším nebo rychlejším, můžeme novou část jednoduše zapojit,“ řekl Nguyen. "To nám dává větší flexibilitu do budoucna."
Horní obrázek: Výzkumníci z Microsoftu a University of Washington zaznamenali a spočítali slovo „ahoj“, využívající první plně automatizovaný systém ukládání dat DNA. Jde o klíčový krok v přesunu nové technologie z laboratoří do komerčních datových center.
Zdroj: www.habr.com