محققان مایکروسافت و دانشگاه واشنگتن اولین سیستم ذخیره‌سازی اطلاعات کاملاً خودکار و قابل خواندن را برای DNA ساخته‌شده به‌طور مصنوعی نشان داده‌اند. این یک گام کلیدی در جهت انتقال فناوری جدید از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی به مراکز داده تجاری است.
توسعه دهندگان این مفهوم را با یک آزمایش ساده اثبات کردند: آنها با موفقیت کلمه "hello" را در قطعات یک مولکول DNA مصنوعی رمزگذاری کردند و آن را با استفاده از یک سیستم کاملاً خودکار از انتها به انتها به داده های دیجیتال تبدیل کردند. ، در 21 مارس در Nature Scientific Reports منتشر شد.
مولکول‌های DNA می‌توانند اطلاعات دیجیتالی را با چگالی بسیار بالا ذخیره کنند، یعنی در فضای فیزیکی بسیار کوچک‌تر از فضای اشغال شده توسط مراکز داده مدرن. این یکی از راه حل های امیدوارکننده برای ذخیره حجم عظیمی از داده هایی است که جهان هر روز تولید می کند، از سوابق تجاری و فیلم های حیوانات زیبا گرفته تا عکس ها و تصاویر پزشکی از فضا.
مایکروسافت در حال بررسی راه هایی برای پر کردن شکاف احتمالی بین این دو است و ما می خواهیم حفظ کنیم، و توانایی خود را برای حفظ آنها. این روش ها شامل توسعه الگوریتم ها و فناوری های محاسباتی مولکولی برای . این به تمام اطلاعات ذخیره شده در یک مرکز داده بزرگ مدرن اجازه می دهد تا در فضایی به اندازه چندین تاس قرار گیرد.
«هدف اصلی ما راه‌اندازی سیستمی است که برای کاربر نهایی، تقریباً شبیه هر سیستم ذخیره‌سازی ابری دیگری باشد: اطلاعات به مرکز داده ارسال می‌شود و در آنجا ذخیره می‌شود، و سپس به سادگی زمانی که مشتری به آن نیاز دارد ظاهر می‌شود. کارین استراوس، محقق مایکروسافت می گوید. برای انجام این کار، باید ثابت کنیم که از منظر اتوماسیون منطقی است.»
اطلاعات به جای DNA افراد یا موجودات زنده در مولکول های DNA مصنوعی ایجاد شده در آزمایشگاه ذخیره می شود و می تواند قبل از ارسال به سیستم رمزگذاری شود. اگرچه ماشین‌های پیچیده مانند سینتی‌سایزرها و ترتیب‌دهنده‌ها قبلاً بخش‌های کلیدی این فرآیند را انجام می‌دهند، بسیاری از مراحل میانی تاکنون به کار دستی در آزمایشگاه تحقیقاتی نیاز داشته‌اند. کریس تاکاهاشی، محقق ارشد دانشکده علوم و مهندسی کامپیوتر پل آلن در USF گفت: "این برای استفاده تجاری مناسب نیست.").
تاکاهاشی توضیح داد: «نمی‌توانید افرادی را در اطراف مرکز داده با پیپت‌ها بچرخانید، این مرکز بیش از حد مستعد خطای انسانی است، بسیار گران است و فضای زیادی را اشغال می‌کند.
برای اینکه این روش ذخیره‌سازی داده‌ها از نظر تجاری منطقی باشد، هزینه‌های سنتز DNA - ایجاد بلوک‌های ساختمانی اساسی توالی‌های معنادار - و فرآیند توالی‌یابی مورد نیاز برای خواندن اطلاعات ذخیره‌شده باید کاهش یابد. محققان می گویند این جهت است .
به گفته محققان مایکروسافت، اتوماسیون یکی دیگر از قطعات کلیدی این پازل است که ذخیره سازی داده ها را در مقیاس تجاری و مقرون به صرفه تر می کند.
تحت شرایط خاص، DNA می‌تواند بسیار بیشتر از سیستم‌های ذخیره‌سازی آرشیوی مدرن، که طی دهه‌ها تخریب می‌شوند، دوام بیاورد. برخی از DNA توانسته اند ده ها هزار سال در شرایطی کمتر از ایده آل زنده بمانند - در عاج ماموت و در استخوان های انسان های اولیه. این بدان معنی است که تا زمانی که بشریت وجود دارد، داده ها را می توان به این روش ذخیره کرد.
سیستم ذخیره سازی DNA خودکار از نرم افزار توسعه یافته توسط مایکروسافت و دانشگاه واشنگتن (UW) استفاده می کند. یک ها و صفرهای داده های دیجیتال را به دنباله هایی از نوکلئوتیدها (A، T، C و G) تبدیل می کند که "بلوک های سازنده" DNA هستند. سپس این سیستم از تجهیزات آزمایشگاهی ارزان قیمت و عمدتاً آماده استفاده می‌کند تا مایعات و معرف‌های لازم را به یک سینت سایزر که قطعات DNA ساخته شده را جمع‌آوری کرده و در یک ظرف ذخیره‌سازی قرار می‌دهد، تامین کند.
هنگامی که سیستم نیاز به استخراج اطلاعات دارد، مواد شیمیایی دیگری را اضافه می‌کند تا DNA را به درستی آماده کند و از پمپ‌های میکروسیال برای فشار دادن مایعات به قسمت‌هایی از سیستم که توالی مولکول‌های DNA را می‌خواند و دوباره آنها را به اطلاعاتی تبدیل می‌کند که کامپیوتر قابل درک است، استفاده می‌کند. محققان می گویند هدف این پروژه اثبات این نبود که سیستم می تواند سریع یا ارزان کار کند، بلکه صرفاً نشان دادن امکان اتوماسیون بود.
یکی از بارزترین مزایای سیستم ذخیره خودکار DNA این است که دانشمندان را آزاد می‌کند تا بدون اتلاف وقت برای جستجوی بطری‌های معرف یا یکنواختی اضافه کردن قطرات مایع به لوله‌های آزمایش، مسائل پیچیده را حل کنند.
Bihlin Nguyen، محقق مایکروسافت، گفت: «داشتن یک سیستم خودکار برای انجام کارهای تکراری به آزمایشگاه‌ها این امکان را می‌دهد تا مستقیماً بر روی تحقیق تمرکز کنند و استراتژی‌های جدیدی برای نوآوری سریع‌تر توسعه دهند.
تیمی از آزمایشگاه سیستم های اطلاعات مولکولی (MISL) قبلاً نشان داده است که می تواند عکس های گربه ها، آثار ادبی شگفت انگیز را ذخیره کند. و پرونده های DNA را بایگانی کرده و بدون خطا این فایل ها را استخراج می کند. تا به امروز، آنها توانسته اند 1 گیگابایت داده را در DNA ذخیره کنند .
محققان همچنین روش هایی را برای مانند یافتن و بازیابی تنها تصاویری که حاوی یک سیب یا یک دوچرخه سبز با استفاده از خود مولکول‌ها هستند، بدون اینکه فایل‌ها را به فرمت دیجیتال برگرداند.
به جرات می توان گفت که ما شاهد تولد نوع جدیدی از سیستم کامپیوتری هستیم که در آن از مولکول ها برای ذخیره سازی داده ها و الکترونیک برای کنترل و پردازش استفاده می شود. پروفسور مدرسه آلن در دانشگاه واشنگتن گفت: این ترکیب فرصت های بسیار جالبی را برای آینده باز می کند. .
برخلاف سیستم‌های محاسباتی مبتنی بر سیلیکون، سیستم‌های ذخیره‌سازی و محاسباتی مبتنی بر DNA باید از مایعات برای حرکت مولکول‌ها استفاده کنند. اما مایعات ماهیت متفاوتی با الکترون ها دارند و نیاز به راه حل های فنی کاملاً جدیدی دارند.
تیم دانشگاه واشنگتن، با همکاری مایکروسافت، همچنین در حال توسعه یک سیستم قابل برنامه ریزی است که آزمایش های آزمایشگاهی را با استفاده از خواص الکتریسیته و آب برای حرکت قطرات روی شبکه ای از الکترودها خودکار می کند. مجموعه ای کامل از نرم افزار و سخت افزار به نام ، می تواند مایعات مختلف را مخلوط، جدا، گرم یا خنک کند و پروتکل های آزمایشگاهی را انجام دهد.
هدف این است که آزمایش‌های آزمایشگاهی را که در حال حاضر به صورت دستی یا توسط ربات‌های گران‌قیمت حمل‌کننده مایعات انجام می‌دهند، خودکار کند و هزینه‌ها را کاهش دهد.
گام‌های بعدی تیم MISL شامل یکپارچه‌سازی یک سیستم خودکار ساده و سرتاسر با فن‌آوری‌هایی مانند Purple Drop و همچنین فناوری‌های دیگری است که امکان جستجوی مولکول‌های DNA را فراهم می‌کند. محققان عمداً سیستم خودکار خود را مدولار ساختند تا بتواند با ظهور فناوری‌های جدید برای سنتز، توالی‌یابی و دستکاری DNA تکامل یابد.
نگوین گفت: «یکی از مزایای این سیستم این است که اگر بخواهیم یکی از قطعات را با قطعه جدید، بهتر یا سریع‌تر جایگزین کنیم، می‌توانیم قطعه جدید را وصل کنیم. "این به ما انعطاف بیشتری برای آینده می دهد."
تصویر بالا: محققان مایکروسافت و دانشگاه واشنگتن کلمه " را ضبط و شمارش کردند.سلام"، با استفاده از اولین سیستم ذخیره سازی اطلاعات DNA کاملاً خودکار. این یک گام کلیدی در انتقال فناوری جدید از آزمایشگاه ها به مراکز داده تجاری است.
منبع: www.habr.com