Forscher von Microsoft und der Universität Washington haben das erste vollständig automatisierte Datenspeichersystem in künstlich erzeugter DNA mit Lesemöglichkeiten demonstriert. Dies ist ein entscheidender Schritt, um die neue Technologie aus Forschungslabors in kommerzielle Rechenzentren zu übertragen.
Die Entwickler haben das Konzept durch einen einfachen Test bestätigt: Sie haben das Wort „hello“ erfolgreich in Fragmenten einer synthetischen DNA-Moleküle kodiert und es mit einem vollständig automatisierten durchgängigen System, das in , veröffentlicht am 21. März in den Nature Scientific Reports, wieder in digitale Daten umgewandelt.
In DNA-Molekülen kann digitale Information mit sehr hoher Dichte gespeichert werden, also in einem physischen Raum, der um viele Größenordnungen kleiner ist als der der modernen Rechenzentren. Dies ist eine vielversprechende Lösung für die Speicherung der enormen Menge an Daten, die die Welt täglich erzeugt – von Geschäftsdaten und Videos mit niedlichen Tieren bis hin zu medizinischen Bildern und Aufnahmen aus dem Weltraum.
Microsoft untersucht Wege, um die potenzielle Kluft zwischen und speichern wollen, und unserer Fähigkeit, sie zu speichern, zu überbrücken. Zu diesen Wegen gehört die Entwicklung von Algorithmen und Technologien für molekulare Berechnungen zur . Dies würde es ermöglichen, sämtliche Informationen, die in einem großen modernen Rechenzentrum gespeichert sind, in einem Raum unterzubringen, der ungefähr der Größe von mehreren Würfeln entspricht.
„Unser Hauptziel ist es, ein System in Betrieb zu nehmen, das für den Endbenutzer fast so aussieht wie jedes andere Cloud-Speichersystem: Informationen werden in das Rechenzentrum gesendet und dort gespeichert, und erscheinen dann einfach, wenn sie vom Kunden benötigt werden“, sagt die leitende Forscherin von Microsoft, Karin Strauss. „Dafür mussten wir beweisen, dass das aus Sicht der Automatisierung praktisch Sinn macht.“
Information wird in synthetischen DNA-Molekülen gespeichert, die im Labor erstellt wurden, und nicht in der DNA von Menschen oder anderen lebenden Organismen. Sie kann vor der Übertragung in das System verschlüsselt werden. Obwohl komplexe Maschinen wie Synthesizer und Sequenzierer bereits Schlüsselteile des Prozesses ausführen, erforderten viele der Zwischenschritte immer noch manuelle Arbeit im Forschungslabor. "Das ist nicht für den kommerziellen Einsatz geeignet", sagte Chris Takahashi, Senior Researcher an der Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering an der University of Washington.).
"In einem Rechenzentrum können keine Menschen mit Pipetten herumlaufen. Bei diesem Ansatz besteht eine zu hohe Wahrscheinlichkeit für menschliche Fehler, es ist zu teuer und benötigt zu viel Platz", erklärte Takahashi.
Damit diese Methode der Datenspeicherung aus kommerzieller Sicht sinnvoll ist, müssen die Kosten sowohl für die Synthese von DNA – die Erstellung grundlegender Bausteine mit signifikanten Sequenzen – als auch für den Sequenzierungsprozess, der zum Auslesen der gespeicherten Informationen benötigt wird, gesenkt werden. Forscher sagen, dass in dieser Richtung .
Laut Forschern von Microsoft ist Automatisierung ein weiterer Schlüsselteil dieses Puzzles, der es ermöglicht, die Datenspeicherung im kommerziellen Maßstab zu organisieren und zugänglicher zu machen.
Unter bestimmten Bedingungen kann DNA viel länger bestehen als moderne Archivierungsmittel, die innerhalb von Jahrzehnten zerfallen. Einige DNA-Beispiele konnten unter suboptimalen Bedingungen über zehntausende Jahre hinweg erhalten werden – in den Stoßzähnen von Mammuts und in den Knochen früher Menschen. Das bedeutet, dass Daten auf diese Weise so lange gespeichert werden können, wie die Menschheit existiert.
Das automatisierte Datenspeichersystem für DNA verwendet eine Software, die von Fachleuten von Microsoft und der University of Washington (UW) entwickelt wurde. Es wandelt Einsen und Nullen digitaler Daten in Nukleotidsequenzen (A, T, C und G) um, die die „Bausteine“ der DNA darstellen. Anschließend nutzt das System kostengünstige, hauptsächlich standardisierte Laborgeräte, um die erforderlichen Flüssigkeiten und Reagenzien dem Synthesizer zuzuführen, der die erzeugten DNA-Fragmenten zusammenfügt und sie in einem Aufbewahrungsbehälter unterbringt.
Wenn das System Informationen abrufen muss, fügt es weitere chemische Substanzen hinzu, um die DNA richtig vorzubereiten, und verwendet Mikrofluidpumpen, um Flüssigkeiten in die Teile des Systems zu leiten, die die Sequenzen der DNA-Moleküle ablesen und sie wieder in eine für den Computer verständliche Information umwandeln. Die Forscher sagen, dass das Ziel des Projekts nicht darin bestand, zu beweisen, dass das System schnell oder kostengünstig arbeiten kann, sondern einfach zu zeigen, dass Automatisierung möglich ist.
Einer der offensichtlichsten Vorteile des automatisierten DNA-Lagersystems besteht darin, dass es den Wissenschaftlern ermöglicht, sich komplexeren Aufgaben zu widmen, ohne Zeit mit der Suche nach Reagenzflaschen oder monotonem Hinzufügen von Tropfen in Reagenzgläser zu verschwenden.
„Die Verfügbarkeit eines automatisierten Systems zur Durchführung repetitiver Arbeiten ermöglicht es den Labormitarbeitern, sich direkt mit der Forschung zu beschäftigen, neue Strategien zu entwickeln, um Innovationen schneller umzusetzen“, sagte der Microsoft-Forscher Bihlin Nguyen.
Das Team des Molecular Information Systems Lab (MISL) hat bereits demonstriert, dass es in der Lage ist, Fotos von Katzen, großartige literarische Werke, und Archiveinträge in DNA zu speichern und diese Dateien fehlerfrei abzurufen. Bis heute konnten sie 1 Gigabyte Daten in DNA speichern und damit .
Die Forscher haben auch Methoden entwickelt, um , wie das Suchen und Abrufen nur der Bilder, auf denen ein Apfel oder ein grünes Fahrrad zu sehen ist, unter Verwendung der Moleküle selbst, ohne die Dateien zurück in das digitale Format umzuwandeln.
„Man kann mit Sicherheit sagen, dass wir die Geburt eines neuen Typs von Computersystem beobachten, in dem Moleküle zur Datenspeicherung verwendet werden und Elektronik für die Steuerung und Verarbeitung. Diese Kombination eröffnet sehr interessante Möglichkeiten für die Zukunft“, sagte der Professor der Allen School der University of Washington. .
Im Gegensatz zu rechnerischen Systemen, die auf Siliziumkomponenten basieren, müssen DNA-basierte Speicher- und Berechnungssysteme Flüssigkeiten nutzen, um Moleküle zu bewegen. Flüssigkeiten unterscheiden sich von Natur aus von Elektronen und erfordern völlig neue technische Lösungen.
Das Team der University of Washington entwickelt in Zusammenarbeit mit Microsoft auch ein programmierbares System, das Laborversuche automatisiert, indem es die Eigenschaften von Elektrizität und Wasser nutzt, um Tröpfchen auf einem Elektrodenraster zu bewegen. Das vollständige Set an Software und Hardware hat die Namen , und kann verschiedene Flüssigkeiten mischen, trennen, erhitzen oder kühlen und Laborprotokolle ausführen.
Das Ziel besteht darin, Laborversuche zu automatisieren, die derzeit manuell oder mit kostspieligen, mit Flüssigkeit arbeitenden Robotern durchgeführt werden, um die Kosten zu senken.
Die nächsten Schritte für das MISL-Team umfassen die Integration eines einfachen, durchgängigen automatisierten Systems mit Technologien wie Purple Drop sowie mit anderen Technologien, die eine Suche in DNA-Molekülen ermöglichen. Die Forscher haben ihr automatisiertes System bewusst modular gestaltet, damit es sich mit dem Aufkommen neuer Technologien für Synthese, Sequenzierung und Arbeit mit DNA weiterentwickeln kann.
„Einer der Vorteile dieses Systems besteht darin, dass wir, wenn wir ein Teil durch etwas Neues, Besseres oder Schnelleres ersetzen möchten, einfach das neue Teil anschließen können“, sagte Nguyen. „Das gibt uns eine größere Flexibilität für die Zukunft“.
Obenstehendes Bild: Forscher von Microsoft und der University of Washington haben das Wort „hello“ aufgezeichnet und gelesen, indem sie das erste vollständig automatisierte Datenspeichersystem in DNA verwendeten. Dies ist ein entscheidender Schritt, um die neue Technologie aus den Laboren in kommerzielle Rechenzentren zu übertragen.
Quelle: habr.com
