„Tere“! Esimene maailmas automaatne andmehoidla DNA molekulides

Microsofti ja Washingtoni ülikooli teadlased on demonstreerinud esimest täielikult automatiseeritud andmete salvestussüsteemi kunstlikult loodud DNA-s, millel on lugemisvõime. See on oluline samm uue tehnoloogia edasiviimisel uuringute laboritest kommertskeskustesse.

Arendajad on kontsepti kinnitanud lihtsa testiga: nad kodeerisid sõna "hello" sünteetilise DNA molekuli fragmentidesse ja muundasid selle tagasi digitaalseks andmeks, kasutades täielikult automatiseeritud lõpp-punkti süsteemi, mis on kirjeldatud artiklis, mis avaldati 21. märtsil ajakirjas Nature Scientific Reports.

See artikkel on meie veebisaidil.

DNA molekulides on võimalik salvestada digitaalset teavet väga kõrge tihedusega, mis tähendab, et füüsilises ruumis, mis on palju väiksem kui tänapäeva andmekeskused. See on üks paljutõotav lahendus tohutute andmemahtude salvestamiseks, mida maailm igapäevaselt genereerib, alates äridokumentidest ja armsate loomade videodest kuni meditsiiniliste piltide ja kosmosest saadud kujutisteni.

Microsoft uurib viise, kuidas ületada potentsiaalset lõhet andmete mahu vahel, mida me toodame ja soovime salvestada, ja meie võimekuse vahel neid hoida. Nende võimaluste hulka kuulub molekulaarkalkulatsioonide algoritmide ja tehnoloogiate arendamine andmete kodeerimiseks kunstlikes DNA-s. See võimaldaks mahutada kogu teabe, mis on salvestatud suures tänapäeva andmekeskuses, ruumi, mis on ligikaudu sama suur kui mõned mängukaardid.

"Meie peamine eesmärk on käivitada süsteem, mis lõppkasutaja jaoks näeks välja peaaegu nagu iga teine pilvesalvestussüsteem: andmed saadetakse andmekeskusse ja talletatakse seal, ning ilmuvad siis lihtsalt, kui klient neid vajab," ütleb Microsofti vanemteadur Karin Strauss. "Selleks oli meil vaja tõestada, et see on praktiline mõttes automatiseerimise seisukohalt."

Teave salvestatakse laboratoorselt loodud sünteetilistes DNA molekulides, mitte inimeste või teiste elusolendite DNA-s, ja seda saab enne süsteemi saatmist krüpteerida. Kuigi keerulised masinad, nagu sünteesijad ja sekveneerijad, täidavad juba olulisi osasid protsessist, on paljusid vaheetappe endiselt nõudnud käsitöö teaduslaboris. „See ei sobi kaubanduslikuks kasutamiseks,“ ütles Chris Takahashi, Paul G. Allen'i arvutiteaduse ja tehnika kooli vanemteadur Ameerika Ühendriikide ülikoolis.Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering).

„Andmekeskuses ei saa inimesed pipetidega ringi joosta, kuna sellise lähenemisega on inimkonna vea tõenäosus liiga kõrge, see on liiga kallis ja vajab liiga palju ruumi,“ selgitas Takahashi.

Et see andmete salvestamise meetod oleks kaubanduslikult mõistlik, on vajalik vähendada kulusid nii DNA sünteesimisel – oluliste järjestustega elementaarsete koostisosade loomisel, kui ka sekveneerimise protsessis, mis on vajalik salvestatud teabe lugemiseks. Uurijad ütlevad, et selles suunas toimub kiire areng.

Microsofti teadlaste sõnul on automatiseerimine veel üks oluline osa sellest mõistatusest, mis võimaldab andmete salvestamise korraldamist kaubanduslikus mahus ja muudab selle kergesti kättevõetavaks.

Teatud tingimustel võib DNA eksisteerida palju kauem kui tänapäevased arhiveerimise meetodid, mis hävinevad aastakümnete jooksul. Mõned DNA-d on suutnud säilida kaugel ideaalsetest tingimustest kümneid tuhandeid aastaid – mammuti eemalduse ja varajaste inimeste luudes. Seega saab andmeid selle viisi abil salvestada seni, kuni inimkond eksisteerib.

Automatiseeritud DNA andmete salvestussüsteem kasutab Microsofti ja Washingtoni Ülikooli (UW) spetsialistide välja töötatud tarkvara. See muundab digitaalsed andmed bitid ja nullid nukleotiidide järjestusteks (A, T, C ja G), mis esindavad DNA „ehitusplokke“. Seejärel kasutab süsteem odavat, peamiselt standardset laboritehnikat vajalikest vedelikest ja reagentidest sünteesija jaoks, mis kogub välja töötatud DNA fragmendid ja asetab need säilitusmahutisse.

Kui süsteem peab teavet välja tooma, lisab see muud kemikaalid, et korralikult DNA-d ette valmistada, ja kasutab mikrofliidipumpasid vedelike surumiseks süsteemi osadesse, mis loevad DNA molekulide järjestusi ja muundavad need tagasi arvutile arusaadavaks informatsiooniks. Uurijad ütlevad, et projekti eesmärk ei olnud tõestada, et süsteem saab töötada kiiresti või odavalt, vaid lihtsalt näidata, et automatiseerimine on võimalik.

Üks kõige ilmsemaid automatiseeritud DNA salvestussüsteemi eeliseid on see, et see vabastab teadlased keerukate probleemide lahendamiseks, võimaldades neil mitte raisata aega reagentide pudelite otsimisele või monotoonse vedelike tilgutamisele proovidesse.

"Automatiseeritud süsteemi olemasolu, mis tegeleb korduva tööga, võimaldab laborite töötajatel keskenduda otse uurimistööle, töötada välja uusi strateegiaid innovatsioonide kiireks rakendamiseks," ütles Microsofti uurija Bihlin Nguyen.

Molekulaarsete teabe süsteemide labor Molecular Information Systems Lab (MISL) on juba demonstreerinud, et suudab salvestada kiisude fotosid, suurepäraseid kirjandusteoseid, video ja arhiivifailid DNA-s ning välja võtta neid kergesti. Käesolevaga on nad suutnud salvestada DNA-sse 1 gigabaiti andmeid, ületades eelmist maailmarekordit 200 MB.

Uurijad on samuti välja töötanud meetodeid signifikaniliste arvutuste teostamiseks, nagu näiteks piltide otsimine ja välja toomine, kus on õun või roheline jalgratas, kasutades selleks molekule endid, ilma failide tagasi digitaalsetesse formaatidessse muundamata.

«On võib kindlalt öelda, et me oleme tunnistajaks uue tüüpi arvutisüsteemi sünnile, kus andmete salvestamiseks kasutatakse molekule ja juhtimiseks ning töötlemiseks elektroonikat. See kombinatsioon avab väga huvitavaid võimalusi tulevikuks», ütles professor Allen School's Washingtoni ülikoolis. Luis Seze.

Erinevalt räni komponentidele põhinevatest arvutisüsteemidest peavad DNA-le põhinevad salvestus- ja arvutussüsteemid kasutama molekulide liigutamiseks vedelikke. Kuid vedelikud erinevad olemuselt elektrone ja nõuavad täiesti uusi tehnilisi lahendusi.

Washingtoni ülikooli meeskond koos Microsoftiga arendab ka programmeeritavat süsteemi, mis automatiseerib laborikatseid, kasutades elektri ja vee omadusi tilkade liigutamiseks elektroodide võrgus. Terve tarkvara ja riistvara komplekt, mida nimetatakse Puddle ja PurpleDrop, suudab segada, eraldada, kuumutada või jahutada erinevaid vedelikke ja teostada laboriprotokolle.

Eesmärk on automatiseerida laborikatseid, mida praegu tehakse käsitsi või kalliste vedelikuga töötavate robotite abil, ja vähendada kulusid.

MISL meeskonna järgmised sammud hõlmavad lihtsa lõpp-automaatse süsteemi integreerimist selliste tehnoloogiate, nagu Purple Drop, ning teiste tehnoloogiate, mis võimaldavad DNA molekulide otsimist. Uurijad on oma automatiseeritud süsteemi teadlikult teinud modulaarseks, et see saaks areneda koos uute sünteesimise, järjestamise ja DNA töötlemise tehnoloogiate käilakuju.

«Üks selle süsteemi eeliseid on see, et kui me tahame asendada ühe osa millegi uue, täiustatud või kiiremaga, saame lihtsalt uue osa ühendada,» ütles Nguyen. «See annab meile suurema paindlikkuse tulevikuks».

Ülemine pilt: Microsofti ja Washingtoni ülikooli teadlased salvestasid ja lugesid sõna „hello», kasutades esimest täielikult automatiseeritud DNA andmesalvestussüsteemi. See on oluline samm uue tehnoloogia viimiseks laboritest kommertsdataloodudesse.

Allikas: habr.com