Forscher von Microsoft und der University of Washington haben das erste vollständig automatisierte Datenspeichersystem in künstlich erzeugter DNA mit Lesefähigkeit demonstriert. Dies ist ein entscheidender Schritt, um diese neue Technologie von Forschungslaboren in kommerzielle Rechenzentren zu übertragen.
Die Entwickler haben das Konzept mit einem einfachen Test bestätigt: Sie haben erfolgreich das Wort „hello“ in segmentierten synthetischen DNA-Molekülen kodiert und es wieder in digitale Daten umgewandelt, indem sie ein vollständig automatisiertes End-to-End-System verwendet haben, das in , veröffentlicht am 21. März in Nature Scientific Reports, beschrieben wird.
In DNA-Molekülen kann digitale Information mit sehr hoher Dichte gespeichert werden, das heißt in einem physikalischen Raum, der um ein Vielfaches kleiner ist als der, den moderne Rechenzentren einnehmen. Dies ist eine der vielversprechendsten Lösungen zur Speicherung der riesigen Datenmengen, die täglich in der Welt entstehen – von Geschäftsdaten und Videos süßer Tiere bis hin zu medizinischen Bildern und Aufnahmen aus dem Weltraum.
Microsoft untersucht Möglichkeiten, die potenzielle Lücke zwischen und speichern möchten, und unserer Fähigkeit, sie zu speichern, zu überwinden. Zu diesen Möglichkeiten gehört die Entwicklung von Algorithmen und Technologien für molekulare Berechnungen zur . Dies würde es ermöglichen, alle 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 an das Rechenzentrum gesendet und dort gespeichert, und sie erscheinen dann einfach, wenn der Kunde sie benötigt“, sagt die leitende Forscherin von Microsoft, Karin Strauss. „Dafür mussten wir beweisen, dass es praktisch sinnvoll ist, aus der Perspektive der Automatisierung.“
Die Informationen werden in synthetischen DNAMolekülen gespeichert, die im Labor hergestellt werden, und nicht in der DNA von Menschen oder anderen lebenden Organismen. Sie können vor der Übertragung ins System verschlüsselt werden. Während komplexe Maschinen wie Synthesizer und Sequenzierer bereits wichtige Teile des Prozesses übernehmen, erfordern viele der Zwischenschritte nach wie vor manuelle Arbeit in der Forschungslabors. "Das ist nicht für den kommerziellen Einsatz geeignet", sagte Chris Takahashi, leitender Wissenschaftler an der Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering der University of Washington.).
"In einem Rechenzentrum können keine Menschen mit Pipetten herumlaufen; dieser Ansatz birgt ein zu hohes Risiko für menschliche Fehler, er ist zu kostspielig 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 – der Erstellung grundlegender Bausteine mit signifikanten Sequenzen – als auch für den Sequenzierungsprozess, der erforderlich ist, um die gespeicherten Informationen auszulesen, gesenkt werden. Forscher berichten, 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 bleiben als moderne Archivierungsmittel, die innerhalb von Jahrzehnten zerfallen. Einige DNA-Proben haben unter weniger als idealen Umständen zehntausende Jahre überdauert – 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 DNA-Datenspeichersystem nutzt Software, die von Experten von Microsoft und der University of Washington (UW) entwickelt wurde. Es wandelt Einsen und Nullen digitaler Daten in Sequenzen von Nukleotiden (A, T, C und G) um, die die „Bausteine“ der DNA darstellen. Anschließend verwendet das System kostengünstige, überwiegend standardisierte Laborgeräte, um die erforderlichen Flüssigkeiten und Reagenzien in einen Synthesizer zu leiten, der die hergestellten DNA-Fragmente zusammenfügt und in einem Behälter zur Lagerung platziert.
Wenn das System Informationen abrufen muss, fügt es andere Chemikalien hinzu, um die DNA richtig vorzubereiten, und verwendet mikrofluidische Pumpen, um Flüssigkeiten in die Teile des Systems zu drücken, die die Sequenzen der DNA-Moleküle lesen und sie wieder in für den Computer verständliche Informationen umwandeln. Die Forscher betonen, 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 eines automatisierten DNA-Speichersystems besteht darin, dass es Wissenschaftler von Routineaufgaben entbindet und ihnen erlaubt, sich auf komplexe Problemlösungen zu konzentrieren, anstatt Zeit mit der Suche nach Reagenzflaschen oder dem monotonen Hinzufügen von Tropfen in Reagenzgläsern zu verschwenden.
„Das Vorhandensein eines automatisierten Systems zur Durchführung wiederkehrender Aufgaben ermöglicht es Laborangestellten, sich direkt mit der Forschung zu beschäftigen und neue Strategien zu entwickeln, um Innovationen schneller voranzutreiben“, sagte der Microsoft-Forscher Bihlin Nguyen.
Team des Molecular Information Systems Lab (MISL) hat bereits demonstriert, dass sie in der Lage sind, Fotos von Katzen, bemerkenswerte literarische Werke, und Archive in DNA zu speichern und diese Dateien fehlerfrei abzurufen. Bis heute haben sie es geschafft, 1 Gigabyte Daten in DNA zu speichern, was den .
Die Forscher haben auch Methoden entwickelt, um , wie die Suche und Extraktion von Bildern, die einen Apfel oder ein grünes Fahrrad zeigen, indem man dabei die Moleküle selbst verwendet, ohne die Dateien zurück in ein digitales Format umzuwandeln.
„Man kann mit Gewissheit sagen, dass wir die Geburt eines neuen Typs von Computersystem beobachten, bei dem Moleküle zur Datenspeicherung und Elektronik zur Steuerung und Verarbeitung verwendet werden. Diese Kombination eröffnet sehr interessante Möglichkeiten für die Zukunft“, sagte Professor Allen von der University of Washington. .
Im Gegensatz zu silikonbasierten Computersystemen müssen DNA-basierte Speicher- und Rechensysteme Flüssigkeiten verwenden, um Moleküle zu bewegen. Flüssigkeiten unterscheiden sich jedoch grundlegend von Elektronen und erfordern völlig neue technische Lösungen.
Das Team der University of Washington arbeitet in Zusammenarbeit mit Microsoft an einem programmierbaren System, das Laborversuche automatisiert, indem es die Eigenschaften von Elektrizität und Wasser nutzt, um Tropfen auf einem Elektrodengitter zu bewegen. Das komplette Set an Software und Hardware, das den Namen , erhalten hat, kann verschiedene Flüssigkeiten mischen, trennen, erhitzen oder kühlen und Laborprotokolle ausführen.
Das Ziel besteht darin, Laborversuche zu automatisieren, die derzeit manuell oder mit teuren Flüssigkeitsrobotern durchgeführt werden, um Kosten zu senken.
Die nächsten Schritte für das MISL-Team beinhalten die Integration eines einfachen End-to-End-Automatisierungssystems mit Technologien wie Purple Drop sowie anderen Technologien, die das Durchsuchen von DNA-Molekülen ermöglichen. Die Forscher haben ihr automatisiertes System modular gestaltet, damit es sich mit der Entwicklung neuer Technologien für Synthese, Sequenzierung und Bearbeitung von DNA weiterentwickeln kann.
„Ein Vorteil dieses Systems ist, dass wir, wenn wir eines der Teile durch etwas Neues, Leistungsfähigeres oder Schnelleres ersetzen wollen, einfach das neue Teil anschließen können“, sagte Nguyen. „Das gibt uns eine größere Flexibilität für die Zukunft.“
Obenstehendes Bild: Forscher von Microsoft und der Universität Washington haben das Wort „hello“ mit dem ersten vollständig automatisierten Datenspeichersystem in DNA aufgezeichnet und gelesen. Dies ist ein entscheidender Schritt, um die neue Technologie aus den Laboren in kommerzielle Rechenzentren zu übertragen.
Quelle: habr.com
