Forscher von Microsoft und der University of Washington haben das erste vollständig automatisierte, lesbare Datenspeichersystem für künstlich erzeugte DNA demonstriert. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Verlagerung neuer Technologien von Forschungslabors in kommerzielle Rechenzentren.
Die Entwickler haben das Konzept mit einem einfachen Test bewiesen: Sie haben das Wort „Hallo“ erfolgreich in Fragmente eines synthetischen DNA-Moleküls kodiert und es mithilfe eines vollautomatischen End-to-End-Systems, das in beschrieben wird, wieder in digitale Daten umgewandelt , veröffentlicht am 21. März in Nature Scientific Reports.
DNA-Moleküle können digitale Informationen in sehr hoher Dichte speichern, das heißt in einem physischen Raum, der um viele Größenordnungen kleiner ist als der, den moderne Rechenzentren einnehmen. Es ist eine der vielversprechenden Lösungen für die Speicherung der riesigen Datenmengen, die die Welt täglich generiert, von Geschäftsunterlagen und Videos niedlicher Tiere bis hin zu medizinischen Fotos und Bildern aus dem Weltraum.
Microsoft sucht nach Möglichkeiten, die potenzielle Lücke dazwischen zu schließen und wir wollen sie bewahren und unsere Fähigkeit, sie zu bewahren. Zu diesen Methoden gehört die Entwicklung von Algorithmen und molekularen Computertechnologien für . Dadurch könnten alle in einem großen modernen Rechenzentrum gespeicherten Informationen auf einen Raum passen, der etwa der Größe mehrerer Würfel entspricht.
„Unser Hauptziel ist es, ein System auf den Markt zu bringen, das für den Endbenutzer fast genauso aussieht wie jedes andere Cloud-Speichersystem: Informationen werden an das Rechenzentrum gesendet und dort gespeichert, und dann erscheinen sie einfach, wenn der Kunde sie benötigt. “, sagt Sr. Microsoft-Forscherin Karin Strauss. „Dazu mussten wir beweisen, dass es aus Sicht der Automatisierung praktisch sinnvoll ist.“
Die Informationen werden in synthetischen DNA-Molekülen gespeichert, die in einem Labor hergestellt werden, und nicht in der DNA von Menschen oder anderen Lebewesen, und können verschlüsselt werden, bevor sie an das System gesendet werden. Obwohl komplexe Maschinen wie Synthesizer und Sequenzer bereits wichtige Teile des Prozesses übernehmen, erforderten viele der Zwischenschritte bisher manuelle Arbeit in einem Forschungslabor. „Es ist nicht für die kommerzielle Nutzung geeignet“, sagte Chris Takahashi, leitender Forschungsmitarbeiter an der Paul Allen School of Computer Science and Engineering der USF ().
„Man kann nicht zulassen, dass Leute mit Pipetten im Rechenzentrum herumlaufen, das ist zu anfällig für menschliches Versagen, es ist zu teuer und es nimmt zu viel Platz ein“, erklärte Takahashi.
Damit diese Datenspeichermethode kommerziell sinnvoll ist, müssen die Kosten sowohl für die DNA-Synthese – die die Grundbausteine sinnvoller Sequenzen schafft – als auch für den Sequenzierungsprozess, der zum Lesen der gespeicherten Informationen erforderlich ist, gesenkt werden. Forscher sagen, dass dies die Richtung ist .
Laut Microsoft-Forschern ist die Automatisierung ein weiterer wichtiger Teil des Puzzles, der die Datenspeicherung im kommerziellen Maßstab und erschwinglicher macht.
Unter bestimmten Bedingungen kann DNA viel länger halten als moderne Archivspeichersysteme, die sich über Jahrzehnte verschlechtern. Ein Teil der DNA hat es geschafft, Zehntausende von Jahren unter nicht idealen Bedingungen zu überleben – in Mammutstoßzähnen und in den Knochen früher Menschen. Das bedeutet, dass Daten auf diese Weise gespeichert werden können, solange die Menschheit existiert.
Das automatisierte DNA-Speichersystem nutzt Software, die von Microsoft und der University of Washington (UW) entwickelt wurde. Es wandelt die Einsen und Nullen digitaler Daten in Nukleotidsequenzen (A, T, C und G) um, die die „Bausteine“ der DNA sind. Das System verwendet dann kostengünstige, meist handelsübliche Laborgeräte, um die notwendigen Flüssigkeiten und Reagenzien einem Synthesizer zuzuführen, der die hergestellten DNA-Fragmente sammelt und in einen Lagerbehälter legt.
Wenn das System Informationen extrahieren muss, fügt es andere Chemikalien hinzu, um die DNA richtig vorzubereiten, und verwendet Mikroflüssigkeitspumpen, um Flüssigkeiten in Teile des Systems zu drücken, die die Sequenzen von DNA-Molekülen lesen und sie wieder in Informationen umwandeln, die ein Computer verstehen kann. Den Forschern zufolge bestand das Ziel des Projekts nicht darin, zu beweisen, dass das System schnell oder kostengünstig arbeiten kann, sondern lediglich zu zeigen, dass eine Automatisierung möglich ist.
Einer der offensichtlichsten Vorteile eines automatisierten DNA-Speichersystems besteht darin, dass es Wissenschaftlern die Möglichkeit gibt, komplexe Probleme zu lösen, ohne Zeit mit der Suche nach Reagenzienflaschen oder der Monotonie des Einfüllens von Flüssigkeitstropfen in Reagenzgläser zu verschwenden.
„Ein automatisiertes System zur Durchführung sich wiederholender Arbeiten ermöglicht es Laboren, sich direkt auf die Forschung zu konzentrieren und neue Strategien für schnellere Innovationen zu entwickeln“, sagte Microsoft-Forscher Bihlin Nguyen.
Team vom Labor für Molekulare Informationssysteme (MISL) hat bereits gezeigt, dass es Fotos von Katzen, wunderbare Werke der Literatur, und archivierte DNA-Aufzeichnungen und extrahieren Sie diese Dateien fehlerfrei. Bisher konnten sie 1 Gigabyte an Daten in der DNA speichern, was mehr ist als das .
Forscher haben auch Methoden dafür entwickelt Beispielsweise können mithilfe der Moleküle nur Bilder gefunden und abgerufen werden, die einen Apfel oder ein grünes Fahrrad enthalten, ohne die Dateien wieder in ein digitales Format zu konvertieren.
„Man kann mit Sicherheit sagen, dass wir Zeugen der Geburt eines neuen Typs von Computersystemen sind, in denen Moleküle zur Datenspeicherung und Elektronik zur Steuerung und Verarbeitung verwendet werden. „Diese Kombination eröffnet sehr interessante Möglichkeiten für die Zukunft“, sagte der Allen-School-Professor an der University of Washington. .
Im Gegensatz zu siliziumbasierten Computersystemen müssen DNA-basierte Speicher- und Computersysteme Flüssigkeiten verwenden, um Moleküle zu bewegen. Doch Flüssigkeiten sind von Natur aus anders als Elektronen und erfordern völlig neue technische Lösungen.
Das Team der University of Washington entwickelt außerdem in Zusammenarbeit mit Microsoft ein programmierbares System, das Laborexperimente automatisiert, indem es die Eigenschaften von Elektrizität und Wasser nutzt, um Tröpfchen auf einem Elektrodengitter zu bewegen. Ein vollständiger Satz von Software und Hardware namens , kann verschiedene Flüssigkeiten mischen, trennen, erhitzen oder kühlen und Laborprotokolle durchführen.
Ziel ist es, Laborexperimente, die derzeit manuell oder von teuren Liquid-Handling-Robotern durchgeführt werden, zu automatisieren und Kosten zu senken.
Zu den nächsten Schritten für das MISL-Team gehört die Integration eines einfachen, durchgängig automatisierten Systems mit Technologien wie Purple Drop sowie anderen Technologien, die die Suche nach DNA-Molekülen ermöglichen. Die Forscher gestalteten ihr automatisiertes System bewusst modular, damit es sich weiterentwickeln konnte, wenn neue Technologien für die DNA-Synthese, -Sequenzierung und -Manipulation aufkamen.
„Einer der Vorteile dieses Systems besteht darin, dass wir, wenn wir eines der Teile durch etwas Neues, Besseres oder Schnelleres ersetzen möchten, einfach das neue Teil anschließen können“, sagte Nguyen. „Das verschafft uns mehr Flexibilität für die Zukunft.“
Bild oben: Forscher von Microsoft und der University of Washington haben das Wort „HELLO„unter Verwendung des ersten vollautomatischen DNA-Datenspeichersystems. Dies ist ein wichtiger Schritt bei der Verlagerung neuer Technologien von Laboren in kommerzielle Rechenzentren.
Source: habr.com