Forskere fra Microsoft og University of Washington har demonstreret det første fuldt automatiserede, læsbare datalagringssystem til kunstigt skabt DNA. Dette er et vigtigt skridt i retning af at flytte ny teknologi fra forskningslaboratorier til kommercielle datacentre.
Udviklerne beviste konceptet med en simpel test: de kodede med succes ordet "hej" ind i fragmenter af et syntetisk DNA-molekyle og konverterede det tilbage til digitale data ved hjælp af et fuldt automatiseret ende-til-ende-system, som er beskrevet i , offentliggjort 21. marts i Nature Scientific Reports.
DNA-molekyler kan lagre digital information med meget høj tæthed, det vil sige i fysiske rum, der er mange størrelsesordener mindre end det, der er optaget af moderne datacentre. Det er en af de lovende løsninger til lagring af den enorme mængde data, verden genererer hver dag, lige fra virksomhedsregistre og videoer af søde dyr til medicinske fotografier og billeder fra rummet.
Microsoft udforsker måder at bygge bro mellem den potentielle kløft mellem og vi ønsker at bevare, og vores evne til at bevare dem. Disse metoder omfatter udvikling af algoritmer og molekylære computerteknologier til . Dette ville gøre det muligt for al information, der er lagret i et stort moderne datacenter, at passe ind i et rum, der er omtrent på størrelse med flere terninger.
"Vores hovedmål er at lancere et system, der for slutbrugeren vil se næsten ud som ethvert andet cloud-lagringssystem: information sendes til datacentret og gemmes der, og så dukker det bare op, når klienten har brug for det, ” siger Sr. Microsoft-forsker Karin Strauss. "For at gøre dette var vi nødt til at bevise, at det gav praktisk mening ud fra et automationsperspektiv."
Oplysningerne lagres i syntetiske DNA-molekyler, der er skabt i et laboratorium, i stedet for i DNA fra mennesker eller andre levende ting, og kan krypteres, før de sendes til systemet. Selvom komplekse maskiner såsom synthesizere og sequencere allerede udfører vigtige dele af processen, har mange af de mellemliggende trin indtil nu krævet manuelt arbejde i et forskningslaboratorium. "Det er ikke egnet til kommerciel brug," sagde Chris Takahashi, en seniorforsker ved Paul Allen School of Computer Science and Engineering ved USF ().
"Du kan ikke have folk, der løber rundt i datacentret med pipetter, det er for tilbøjeligt til menneskelige fejl, det er for dyrt og det fylder for meget," forklarede Takahashi.
For at denne datalagringsmetode skal give mening kommercielt, skal omkostningerne ved både DNA-syntese - at skabe de grundlæggende byggesten af meningsfulde sekvenser - og den sekventeringsproces, der er nødvendig for at læse den lagrede information, reduceres. Forskere siger, at dette er retningen .
Automatisering er en anden vigtig brik i puslespillet, der gør datalagring i kommerciel skala og mere overkommelig, ifølge Microsoft-forskere.
Under visse forhold kan DNA holde meget længere end moderne arkivlagringssystemer, som nedbrydes over årtier. Noget DNA har formået at overleve under mindre end ideelle forhold i titusinder af år - i mammutstødtænder og i knoglerne hos tidlige mennesker. Det betyder, at data kan opbevares på denne måde, så længe menneskeheden eksisterer.
Det automatiserede DNA-lagringssystem bruger software udviklet af Microsoft og University of Washington (UW). Det konverterer eterne og nullerne af digitale data til sekvenser af nukleotider (A, T, C og G), som er "byggestenene" af DNA. Systemet bruger derefter billigt, for det meste hyldevare, laboratorieudstyr til at levere de nødvendige væsker og reagenser til en synthesizer, som opsamler de fremstillede DNA-fragmenter og placerer dem i en opbevaringsbeholder.
Når systemet skal udtrække information, tilføjer det andre kemikalier for at forberede DNA'et korrekt og bruger mikrofluidpumper til at skubbe væsker ind i dele af systemet, der læser sekvenserne af DNA-molekyler og konverterer dem tilbage til information, som en computer kan forstå. Forskerne siger, at målet med projektet ikke var at bevise, at systemet kunne fungere hurtigt eller billigt, men blot at vise, at automatisering var mulig.
En af de mest åbenlyse fordele ved et automatiseret DNA-lagringssystem er, at det frigør videnskabsmænd til at løse komplekse problemer uden at spilde tid på at lede efter flasker med reagenser eller monotonien ved at tilføje dråber væske i reagensglas.
"At have et automatiseret system til at udføre gentagne arbejde giver laboratorier mulighed for at fokusere direkte på forskning og udvikle nye strategier til at innovere hurtigere," sagde Microsoft-forsker Bihlin Nguyen.
Team fra Laboratory of Molecular Information Systems (MISL) har allerede vist, at den kan gemme fotografier af katte, vidunderlige litteraturværker, og arkiverede DNA-registre og udtrække disse filer uden fejl. Til dato har de været i stand til at lagre 1 gigabyte data i DNA, slående .
Forskere har også udviklet metoder til såsom at finde og hente billeder, der indeholder et æble eller en grøn cykel ved hjælp af selve molekylerne, uden at konvertere filerne tilbage til digitalt format.
”Man kan roligt sige, at vi er vidne til fødslen af en ny type computersystem, hvor molekyler bruges til datalagring og elektronik til kontrol og behandling. Denne kombination åbner op for meget interessante muligheder for fremtiden,” sagde Allen School-professoren ved University of Washington. .
I modsætning til siliciumbaserede computersystemer skal DNA-baserede lagrings- og computersystemer bruge væsker til at flytte molekyler. Men væsker er anderledes end elektroner og kræver helt nye tekniske løsninger.
University of Washington-teamet udvikler også i samarbejde med Microsoft et programmerbart system, der automatiserer laboratorieforsøg ved at bruge egenskaberne af elektricitet og vand til at flytte dråber på et gitter af elektroder. Et komplet sæt software og hardware kaldet , kan blande, adskille, opvarme eller afkøle forskellige væsker og udføre laboratorieprotokoller.
Målet er at automatisere laboratorieforsøg, der i øjeblikket udføres manuelt eller af dyre væskehåndteringsrobotter og reducere omkostningerne.
De næste trin for MISL-teamet omfatter integration af et enkelt, ende-til-ende automatiseret system med teknologier som Purple Drop, samt andre teknologier, der muliggør søgning af DNA-molekyler. Forskerne gjorde bevidst deres automatiserede system modulopbygget, så det kunne udvikle sig, efterhånden som nye teknologier til DNA-syntese, sekventering og manipulation dukkede op.
"En af fordelene ved dette system er, at hvis vi ønsker at erstatte en af delene med noget nyt, bedre eller hurtigere, kan vi bare tilslutte den nye del," sagde Nguyen. "Dette giver os mere fleksibilitet for fremtiden."
Øverste billede: Forskere fra Microsoft og University of Washington registrerede og talte ordet "Hej", ved hjælp af det første fuldt automatiserede DNA-datalagringssystem. Dette er et vigtigt skridt i at flytte ny teknologi fra laboratorier til kommercielle datacentre.
Kilde: www.habr.com