Investigadores de Microsoft y la Universidad de Washington han demostrado el primer sistema de almacenamiento de datos legible y totalmente automatizado para ADN creado artificialmente. Este es un paso clave para trasladar la nueva tecnología de los laboratorios de investigación a los centros de datos comerciales.
Los desarrolladores demostraron el concepto con una prueba sencilla: codificaron con éxito la palabra "hola" en fragmentos de una molécula de ADN sintético y los convirtieron nuevamente en datos digitales utilizando un sistema de extremo a extremo totalmente automatizado, que se describe en , publicado el 21 de marzo en Nature Scientific Reports.
Las moléculas de ADN pueden almacenar información digital a densidades muy altas, es decir, en un espacio físico que es muchos órdenes de magnitud más pequeño que el que ocupan los centros de datos modernos. Es una de las soluciones prometedoras para almacenar la gran cantidad de datos que el mundo genera todos los días, desde registros comerciales y videos de animales lindos hasta fotografías e imágenes médicas desde el espacio.
Microsoft está explorando formas de cerrar la brecha potencial entre y queremos preservar, y nuestra capacidad para preservarlos. Estos métodos incluyen el desarrollo de algoritmos y tecnologías de computación molecular para . Esto permitiría que toda la información almacenada en un gran centro de datos moderno quepa en un espacio aproximadamente del tamaño de varios dados.
“Nuestro objetivo principal es lanzar un sistema que, para el usuario final, se verá casi igual que cualquier otro sistema de almacenamiento en la nube: la información se envía al centro de datos y se almacena allí, y luego simplemente aparece cuando el cliente la necesita. ”, dice Karin Strauss, investigadora principal de Microsoft. "Para hacer esto, necesitábamos demostrar que tenía sentido práctico desde una perspectiva de automatización".
La información se almacena en moléculas de ADN sintético creadas en un laboratorio, en lugar de en el ADN de personas u otros seres vivos, y puede cifrarse antes de enviarse al sistema. Aunque máquinas complejas como sintetizadores y secuenciadores ya realizan partes clave del proceso, muchos de los pasos intermedios hasta ahora han requerido trabajo manual en un laboratorio de investigación. "No es adecuado para uso comercial", dijo Chris Takahashi, investigador principal de la Escuela Paul Allen de Ciencias de la Computación e Ingeniería de la USF ().
"No se puede tener gente corriendo por el centro de datos con pipetas, es demasiado propenso a errores humanos, es demasiado caro y ocupa demasiado espacio", explicó Takahashi.
Para que este método de almacenamiento de datos tenga sentido comercialmente, se deben reducir los costos tanto de la síntesis de ADN (creación de los componentes fundamentales de secuencias significativas) como del proceso de secuenciación necesario para leer la información almacenada. Los investigadores dicen que esta es la dirección .
La automatización es otra pieza clave del rompecabezas, que hace que el almacenamiento de datos a escala comercial sea más asequible, según investigadores de Microsoft.
Bajo ciertas condiciones, el ADN puede durar mucho más que los sistemas de almacenamiento de archivos modernos, que se degradan durante décadas. Parte del ADN ha logrado sobrevivir en condiciones nada ideales durante decenas de miles de años: en colmillos de mamut y en los huesos de los primeros humanos. Esto significa que los datos podrán almacenarse de esta forma mientras exista la humanidad.
El sistema automatizado de almacenamiento de ADN utiliza software desarrollado por Microsoft y la Universidad de Washington (UW). Convierte los unos y los ceros de datos digitales en secuencias de nucleótidos (A, T, C y G), que son los "bloques de construcción" del ADN. Luego, el sistema utiliza equipos de laboratorio económicos, en su mayoría disponibles en el mercado, para suministrar los fluidos y reactivos necesarios a un sintetizador, que recolecta los fragmentos de ADN fabricados y los coloca en un contenedor de almacenamiento.
Cuando el sistema necesita extraer información, agrega otras sustancias químicas para preparar adecuadamente el ADN y utiliza bombas de microfluidos para empujar fluidos a partes del sistema que leen las secuencias de las moléculas de ADN y las convierten nuevamente en información que una computadora puede comprender. Los investigadores dicen que el objetivo del proyecto no era demostrar que el sistema podría funcionar de forma rápida o económica, sino simplemente demostrar que la automatización era posible.
Uno de los beneficios más obvios de un sistema automatizado de almacenamiento de ADN es que libera a los científicos para resolver problemas complejos sin perder tiempo buscando frascos de reactivos o la monotonía de agregar gotas de líquido en los tubos de ensayo.
"Tener un sistema automatizado para realizar trabajos repetitivos permite a los laboratorios centrarse directamente en la investigación y desarrollar nuevas estrategias para innovar más rápido", dijo el investigador de Microsoft Bihlin Nguyen.
Equipo del Laboratorio de Sistemas de Información Molecular (MISL) ya ha demostrado que puede almacenar fotografías de gatos, maravillosas obras literarias, y registros de ADN archivados y extraer estos archivos sin errores. Hasta la fecha, han podido almacenar 1 gigabyte de datos en ADN, superando .
Los investigadores también han desarrollado métodos para como encontrar y recuperar sólo imágenes que contengan una manzana o una bicicleta verde utilizando las propias moléculas, sin volver a convertir los archivos al formato digital.
“Se puede decir con seguridad que estamos asistiendo al nacimiento de un nuevo tipo de sistema informático, en el que se utilizan moléculas para el almacenamiento de datos y electrónica para el control y el procesamiento. Esta combinación abre posibilidades muy interesantes para el futuro”, afirmó el profesor de la Escuela Allen de la Universidad de Washington. .
A diferencia de los sistemas informáticos basados en silicio, los sistemas informáticos y de almacenamiento basados en ADN deben utilizar fluidos para mover las moléculas. Pero los líquidos son de naturaleza diferente a los electrones y requieren soluciones técnicas completamente nuevas.
El equipo de la Universidad de Washington, en colaboración con Microsoft, también está desarrollando un sistema programable que automatiza experimentos de laboratorio utilizando las propiedades de la electricidad y el agua para mover gotas sobre una rejilla de electrodos. Un conjunto completo de software y hardware llamado , puede mezclar, separar, calentar o enfriar varios líquidos y realizar protocolos de laboratorio.
El objetivo es automatizar experimentos de laboratorio que actualmente se realizan manualmente o mediante costosos robots de manipulación de líquidos y reducir costes.
Los próximos pasos del equipo de MISL incluyen la integración de un sistema automatizado simple de extremo a extremo con tecnologías como Purple Drop, así como otras tecnologías que permiten la búsqueda de moléculas de ADN. Los investigadores hicieron deliberadamente modular su sistema automatizado para que pudiera evolucionar a medida que surgieran nuevas tecnologías para la síntesis, secuenciación y manipulación del ADN.
"Uno de los beneficios de este sistema es que si queremos reemplazar una de las piezas con algo nuevo, mejor o más rápido, podemos simplemente enchufar la pieza nueva", dijo Nguyen. "Esto nos da más flexibilidad para el futuro".
Imagen de portada: Investigadores de Microsoft y la Universidad de Washington registraron y contaron la palabra "¡Hola", utilizando el primer sistema de almacenamiento de datos de ADN totalmente automatizado. Este es un paso clave para trasladar la nueva tecnología de los laboratorios a los centros de datos comerciales.
Fuente: habr.com