Microsofti ja Washingtoni ülikooli teadlased tutvustasid esimest täielikult automatiseeritud andmesalvestussüsteemi kunstlikult loodud DNA-s, millel on lugemisvõime. See on oluline samm uue tehnoloogia edasiviimisel uurimislaboritest kaubanduslikesse andmekeskustesse.
Arendajad kinnitasid kontseptsiooni lihtsa testiga: nad kodeerisid edukalt sõna „hello” sünteetilise DNA-molekuli fragmentidesse ja muutsid selle tagasi digitaalseks andmeks, kasutades täielikult automatiseeritud lõpp-lõpuni süsteemi, mida kirjeldatakse , mis ilmus 21. märtsil ajakirjas Nature Scientific Reports.
DNA-molekulites saab salvestada digitaalset teavet väga suure tihedusega, st füüsilises ruumis, mis on palju korda väiksem kui tänapäeva andmekeskuste suurus. See on üks paljutõotavaid lahendusi tohutu andmemassist, mida maailm iga päev genereerib — alates äriandmetest ja armsate loomade videotest kuni meditsiiniliste piltide ja kosmosest saadud kujutisteni.
Microsoft uurib võimalusi, kuidas ületada potentsiaalset lõhet ja soovime säilitada, ning meie võime salvestada neid. Selliste võimaluste hulka kuulub molekulaarkalkulatsioonide algoritmide ja tehnoloogiate arendamine . See võimaldaks mahutada kogu teabe, mis on talletatud suure kaasaegse andmekeskuse, ruumi, mis on umbes sama suur nagu paar mängukatet.
„Meie peamine eesmärk on käivitada süsteem, mis lõppkasutaja jaoks näeb välja peaaegu nagu iga teine pilvesalvestussüsteem: andmed saadetakse andmekeskusesse ja salvestatakse sinna, ja siis ilmuvad need lihtsalt, kui klient neid vajab,” ütleb Microsofti vanemuurija Karin Strauss. „Selleks pidime tõestama, et see on praktiliselt mõttekas automatiseerimise seisukohalt.”
Teave salvestatakse laboratooriumis 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 võtmeosi protsessist, kasutasid paljud vahepealsed etapid endiselt käsitsi tööd teaduslaboris. "See ei sobi äriliseks kasutamiseks," ütles Chris Takahashi, Paul G. Allen'i arvutiteaduse ja inseneriteaduse kooli vanemteadur USA ülikoolis.).
"Andmete keskus ei saa olema koht, kus inimesed jooksevad pipettide ja teiste seadmetega, sest sellise lähenemise korral on inimliku vea tõenäosus liiga suur, see on liiga kallis ja nõuab liiga palju ruumi," selgitas Takahashi.
Kuna see andmete salvestamise meetod oleks äriliselt mõttekas, tuleb vähendada kulusid nii DNA sünteesimisel — oluline ehitusplokkide loomisel märkimisväärsete järjestustega — kui ka sekveneerimisprotsessis, mis on vajalik salvestatud teabe lugemiseks. Teadlased ütlevad, et selles suunas toimub .
Microsofti teadlaste sõnul on automatiseerimine veel üks peamine osa sellest mõistatusest, mis võimaldab andmete salvestamise korraldada äriühingu mastaabis ja muuta selle kergesti ligipääsetavaks.
Teatud tingimustes võib DNA eksisteerida palju kauem kui tänapäevased arhiivimise vahendid, mis hävinevad aastakümnete jooksul. Mõni DNA on suutnud säilida kaugel ideaalsetest tingimustest isegi kümneid tuhandeid aastaid — mammutite kihvades ja varajaste inimeste luudes. See tähendab, et andmeid saab sellisel viisil salvestada nii kaua, kui inimkond eksisteerib.
Automatiseeritud DNA andmehõivesüsteem kasutab Microsofti ja Washingtoni ülikooli (UW) spetsialistide välja töötatud tarkvara. See muundab digitaalsete andmete ühikud ja nullid nukleotiidide järjestusteks (A, T, C ja G), mis esindavad DNA „ehitusplokke“. Seejärel kasutab süsteem odavat, peamiselt standardset laboriseadet vajalike vedelike ja reagentide toimetamiseks sünteesijasse, mis kogub valmistatud DNA fragmente ja paigutab need ladustamismahutisse.
Kui süsteemil on vajalik teavet välja võtta, lisab ta DNA nõuetekohaseks ettevalmistamiseks teisi kemikaale ja kasutab mikrovedelikupumpasid vedelike pumpamiseks süsteemi osadesse, mis loevad DNA molekulide järjestusi ja muundavad need tagasi arvutile arusaadavaks informatsiooniks. Uurijad ütlevad, et projekti eesmärk ei olnud demonstreerida, et süsteem töötab kiiresti või odavalt, vaid lihtsalt näidata, et automatiseerimine on võimalik.
Üks automatiseeritud DNA salvestussüsteemi kõige ilmsematest eelistest on see, et see vabastab teadlased keerukamate ülesannete lahendamiseks, võimaldades neil mitte raisata aega reagentide pudelite otsimisele või vedelike tilkumise monotoonsele lisamisele proovidesse.
„Automatiseeritud süsteemi olemasolu korduva töö teostamiseks võimaldab labori töötajatel keskenduda otseselt uuringutele, arendada uusi strateegiaid, et uuendusi kiiremini rakendada,” ütles Microsofti teadlane Bihlin Nguyen.
Molekulaarsete Infotehnoloogiate Labor (MISL) on juba demonstreerinud, et nad suudavad salvestada kassi fotosid, suurepäraseid kirjandusteoseid, ja arhiivimaterjale DNAs ja neid faile tõrgeteta välja tõmmata. Seni on nad suutnud DNA-sse salvestada 1 gigabaidi andmeid, purustades .
Teadlased on välja töötanud ka meetodid , nagu näiteks piltide otsimine ja leidmine, kus on õun või roheline jalgratas, kasutades selleks molekule, ilma et faili tagasi digitaalsetesse formaatidesse muudetaks.
„Võime kindlalt öelda, et oleme tunnistajaks uue tüübi arvutisüsteemi tekkimisele, kus andmete salvestamiseks kasutatakse molekule ja juhtimiseks ning töötlemiseks elektroonikat. Selline kombinatsioon avab tulevikuks väga huvitavad võimalused,” ütles Washingtoni Ülikooli Allen Schooli professor. .
Erinevalt silikoonikomponentide põhistest arvutisüsteemidest peavad DNA-põhised salvestus- ja arvutussüsteemid molekulide liikumiseks kasutama vedelikke. Kuid vedelikud erinevad oma olemuselt elektronidest ja nõuavad täiesti uusi tehnilisi lahendusi.
Washingtoni ülikooli meeskond koostöös Microsoftiga arendab ka programmeeritavat süsteemi, mis automatiseerib laborikatseid, kasutades elektri ja vee omadusi tilkade liigutamiseks elektroodide võrgus. Täielik tarkvara ja riistvara komplekt, mille nimed on , suudab segada, eraldada, kuumutada või jahutada erinevaid vedelikke ning täita laboriprotokolle.
Eesmärk on automatiseerida laborikatseid, mida praegu teostatakse käsitsi või kallite vedeliku roboti abil, ja vähendada kulusid.
MISLi meeskonna järgmised sammud hõlmavad lihtsa lõpp-punkti automatiseeritud süsteemi integreerimist selliste tehnoloogiatega nagu PurpleDrop, samuti teiste tehnoloogiatega, mis võimaldavad otsida DNA molekule. Uurijad on oma automatiseeritud süsteemi teadlikult teinud modulaarseks, et see saaks areneda tehnoloogiate ilmumisega sünteesi, sekveneeri ja DNA töötlemise valdkonnas.
Üks selle süsteemi eelisest on see, et kui me soovime asendada mõne osa millegi uue, parema või kiirema vastuga, saame lihtsalt uue osa ühendama, - ütles Nguyen. - See annab meile tulevikuks suure paindlikkuse.
Ülemine pilt: teadlased Microsoftist ja Washingtoni ülikoolist salvestasid ja lugesid sõna «hello», kasutades esimest täielikult automatiseeritud andmete salvestamise süsteemi DNA-s. See on oluline samm uue tehnoloogia viimiseks laboritest kaubanduslikesse andeskeskustesse.
Allikas: habr.com
