Forskere fra Microsoft og Washington University har demonstreret det første fuldt automatiserede datalagringssystem i kunstigt skabt DNA med læsemuligheder. Dette er et nøgletrin i at flytte den nye teknologi fra forskningslaboratorier til kommercielle datacentre.
Udviklerne bekræftede konceptet med en simpel test: de kodede ordet "hello" i fragmenter af syntetisk DNA-molekyle og konverterede det tilbage til digitale data ved hjælp af et fuldt automatiseret end-to-end system, som beskrevet i , offentliggjort den 21. marts i Nature Scientific Reports.
I DNA-molekyler kan der lagres digital information med en meget høj tæthed, det vil sige i fysisk rum, der er mange ordrer mindre end moderne datacentre kræver. Dette er en af de lovende løsninger til opbevaring af de enorme mængder data, som verden producerer hver dag - fra forretningsoptegnelser og videoer med søde dyr til medicinske billeder og billeder fra rummet.
Microsoft undersøger måder at overvinde det potentielle hul mellem og ønsker at gemme, og vores evne til at lagre dem. Blandt disse måder er udviklingen af algoritmer og teknologier til molekylære beregninger til . Dette ville gøre det muligt at passe al informationen fra et stort moderne datacenter i et rum, der svarer til størrelsen af nogle terninger.
"Vores hovedmål er at implementere et system, der for den endelige bruger vil se næsten ud som ethvert andet cloud-lagringssystem: oplysningerne sendes til datacentret og gemmes der, hvorefter de blot dukker op, når de er nødvendige for kunden," siger seniorforsker hos Microsoft Karin Strauss. "For at gøre dette måtte vi bevise, at det giver praktisk mening i forhold til automatisering."
Oplysninger lagres i syntetiske DNA-molekyler, der er skabt i laboratoriet, og ikke i DNA fra mennesker eller andre levende væsener, og de kan krypteres, inden de sendes til systemet. Selvom komplekse maskiner som synthesizere og sekvenser allerede udfører nøglefunktioner i processen, krævede mange af de mellemliggende trin stadig manuel arbejdskraft i forskningslaboratoriet. "Det er ikke egnet til kommercielt brug," sagde Chris Takahashi, seniorforsker ved Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering på et amerikansk universitet.).
"Der kan ikke løbe folk rundt med pipetter i datacenteret; med en så tilgang er der for høj risiko for menneskelige fejl, det er for dyrt og kræver for meget plads," forklarede Takahashi.
For at denne datalagringsmetode kan give mening kommercielt, er det nødvendigt at reducere omkostningerne både ved DNA-syntese - oprettelse af grundlæggende byggesten med betydningsfulde sekvenser, og ved sekvenseringsprocessen, som er nødvendig for at læse den gemte information. Forskere siger, at der er hastig udvikling i denne retning. .
Ifølge forskere fra Microsoft er automatisering en anden nøglekomponent i dette puslespil, der muliggør organisering af datalagring i kommerciel skala og gør det mere tilgængeligt.
Under visse betingelser kan DNA eksistere meget længere end moderne arkivlagringsmetoder, som nedbrydes inden for årtier. Nogle DNA har formået at bevare sig under langt fra ideelle forhold i tusindvis af år - i mammutstænder og knogler fra tidlige mennesker. Det betyder, at data kan opbevares på denne måde, så længe menneskeheden eksisterer.
Det automatiserede DNA-lagringssystem bruger software udviklet af specialister fra Microsoft og University of Washington (UW). Det konverterer en- og nuller af digitale data til sekvenser af nukleotider (A, T, C og G), som udgør "byggeklodserne" i DNA. Systemet bruger derefter billigt, primært standard laboratorieudstyr til at levere de nødvendige væsker og reagenser til synthesizeren, der samler de fremstillede DNA-fragmenter og placerer dem i en opbevaringsbeholder.
Når systemet skal udtrække information, tilsætter det andre kemikalier for korrekt forberedelse af DNA og bruger mikroflytende pumper til at skubbe væsker ind i de dele af systemet, der læser sekvenser af DNA-molekyler og konverterer dem tilbage til information, som computeren kan forstå. Forskerne siger, at formålet med projektet ikke var at bevise, at systemet kan fungere hurtigt eller billigt, men blot at vise, at automatisering er muligt.
En af de mest åbenlyse fordele ved det automatiserede DNA-lagringssystem er, at det frigør forskere fra at tage sig af komplekse opgaver ved at spare tid på at lede efter flasker med reagenser eller monotont at tilsætte dråber væske i reagensglas.
"At have et automatiseret system til udførelse af gentagne opgaver giver laboratoriemedarbejdere mulighed for at fokusere direkte på forskning og udvikle nye strategier for hurtigere innovationer," sagde Microsoft-forsker Bihlin Nguyen.
Teamet fra Molecular Information Systems Lab (MISL) har allerede demonstreret, at de kan lagre billeder af katte, vidunderlige litterære værker, og arkiver i DNA og udtrække disse filer uden fejl. Indtil nu har de været i stand til at gemme 1 gigabyte data i DNA, hvilket slår .
Forskerne har også udviklet metoder til , såsom at søge og hente billeder, hvor der er et æble eller en grøn cykel, ved at bruge selve molekylerne, uden at konvertere filerne tilbage til digitalt format.
«Man kan med sikkerhed sige, at vi er vidner til fødslen af et nyt type computersystem, hvor molekyler bruges til at lagre data, og elektronik til at styre og behandle dem. Denne kombination åbner for meget interessante muligheder for fremtiden,» sagde professoren fra Allen School ved Washington University. .
I modsætning til computer systemer baseret på siliciumkomponenter, skal DNA-baserede lagrings- og beregningssystemer bruge væsker til at flytte molekyler. Men væsker adskiller sig grundlæggende fra elektroner og kræver helt nye tekniske løsninger.
Forskerteamet fra Washington University udvikler også et programmerbart system i samarbejde med Microsoft, som automatiserer laboratorieeksperimenter ved at bruge elektricitets- og vandegenskaber til at flytte dråber på en elektrode mat. Det fulde sæt af software og hardware, der er givet navnene , kan blande, adskille, opvarme eller nedkøle forskellige væsker og udføre laboratorieprotokoller.
Målet er at automatisere laboratorieeksperimenter, der i øjeblikket udføres manuelt eller af dyre væskebaserede robotter, og reducere omkostningerne.
Næste skridt for MISL-teamet omfatter integrationen af et simpelt end-to-end automatiseret system med teknologier som Purple Drop samt andre teknologier, der muliggør søgning i DNA-molekyler. Forskerne har specielt gjort deres automatiserede system modulært, så det kan udvikle sig, efterhånden som nye teknologier for syntese, sekventering og behandling af DNA opstår.
«En af fordelene ved dette system er, at hvis vi ønsker at udskifte en af komponenterne med noget nyt, mere avanceret eller hurtigere, kan vi bare tilslutte den nye komponent,» sagde Nguyen. «Det giver os en stor fleksibilitet for fremtiden.»
Øverste billede: forskere fra Microsoft og Washington University har registreret og læst ordet «hello», ved hjælp af det første fuldt automatiserede datalagringssystem i DNA. Dette er et nøgletrin i at bringe den nye teknologi fra laboratorierne til kommercielle datacentre.
Kilde: habr.com
