Microsoftin ja Washingtonin yliopiston tutkijat ovat osoittaneet ensimmäisen täysin automatisoidun, luettavan tiedontallennusjärjestelmän keinotekoisesti luodulle DNA:lle. Tämä on tärkeä askel uuden teknologian siirtämisessä tutkimuslaboratorioista kaupallisiin datakeskuksiin.
Kehittäjät osoittivat konseptin yksinkertaisella testillä: he koodasivat onnistuneesti sanan "hello" synteettisen DNA-molekyylin fragmenteiksi ja muunsivat sen takaisin digitaaliseksi dataksi käyttämällä täysin automatisoitua päästä päähän -järjestelmää, joka on kuvattu , julkaistu 21. maaliskuuta Nature Scientific Reportsissa.
DNA-molekyylit voivat tallentaa digitaalista informaatiota erittäin suurilla tiheyksillä, toisin sanoen fyysisessä tilassa, joka on monta suuruusluokkaa pienempi kuin nykyaikaisten datakeskusten miehittämä. Se on yksi lupaavista ratkaisuista tallentaa valtava määrä dataa, jota maailma tuottaa päivittäin, aina yritysasiakirjoista ja videoista söpöistä eläimistä lääketieteellisiin valokuviin ja avaruudesta otettuihin kuviin.
Microsoft tutkii tapoja kaventaa mahdollisia eroja ja haluamme säilyttää, ja kykymme säilyttää ne. Näihin menetelmiin kuuluu algoritmien ja molekyylilaskentatekniikoiden kehittäminen . Näin kaikki suureen nykyaikaiseen palvelinkeskukseen tallennettu tieto mahtuisi suunnilleen usean nopan kokoiseen tilaan.
”Päätavoitteemme on tuoda markkinoille järjestelmä, joka näyttää loppukäyttäjälle lähes samalta kuin muut pilvitallennusjärjestelmät: tieto lähetetään konesaliin ja tallennetaan sinne, ja sitten se vain ilmestyy, kun asiakas sitä tarvitsee, ” sanoo vanhempi Microsoft-tutkija Karin Strauss. "Tämän tekemiseksi meidän piti todistaa, että se oli käytännössä järkevää automaation näkökulmasta."
Tiedot tallennetaan synteettisiin DNA-molekyyleihin, jotka on luotu laboratoriossa ihmisten tai muiden elävien olentojen DNA:n sijaan, ja ne voidaan salata ennen järjestelmään lähettämistä. Vaikka monimutkaiset koneet, kuten syntetisaattorit ja sekvensserit, suorittavat jo prosessin keskeisiä osia, monet välivaiheet ovat tähän asti vaatineet käsityötä tutkimuslaboratoriossa. "Se ei sovellu kaupalliseen käyttöön", sanoi Chris Takahashi, vanhempi tutkija Paul Allenin tietotekniikan ja tekniikan korkeakoulusta USF:ssä.).
"Et voi saada ihmiset juoksemaan palvelinkeskuksessa pipeteillä, se on liian altis inhimillisille virheille, se on liian kallista ja vie liikaa tilaa", Takahashi selitti.
Jotta tämä tiedontallennusmenetelmä olisi kaupallisesti järkevä, sekä DNA-synteesin – merkityksellisten sekvenssien perusrakennuspalikoiden luomisen – että tallennettujen tietojen lukemiseen tarvittavan sekvensointiprosessin kustannuksia on vähennettävä. Tutkijoiden mukaan tämä on suunta .
Automaatio on toinen tärkeä palapelin osa, mikä tekee tietojen tallentamisesta kaupallisessa mittakaavassa ja edullisempaa Microsoftin tutkijoiden mukaan.
Tietyissä olosuhteissa DNA voi kestää paljon kauemmin kuin nykyaikaiset arkistointijärjestelmät, jotka hajoavat vuosikymmenten aikana. Osa DNA:sta on onnistunut selviytymään vähemmän kuin ihanteellisissa olosuhteissa kymmeniä tuhansia vuosia – mammutinhampaissa ja varhaisten ihmisten luissa. Tämä tarkoittaa, että dataa voidaan säilyttää tällä tavalla niin kauan kuin ihmiskunta on olemassa.
Automaattinen DNA-tallennusjärjestelmä käyttää Microsoftin ja Washingtonin yliopiston (UW) kehittämää ohjelmistoa. Se muuntaa digitaalisen tiedon ykköset ja nollat nukleotidisekvensseiksi (A, T, C ja G), jotka ovat DNA:n "rakennuspalikoita". Järjestelmä käyttää sitten edullisia, enimmäkseen valmiita laboratoriolaitteita tarvittavien nesteiden ja reagenssien syöttämiseen syntetisaattorille, joka kerää valmistetut DNA-fragmentit ja sijoittaa ne säilytysastiaan.
Kun järjestelmän täytyy poimia tietoa, se lisää muita kemikaaleja valmistellakseen DNA:n asianmukaisesti ja käyttää mikrofluidipumppuja työntämään nesteitä järjestelmän osiin, jotka lukevat DNA-molekyylien sekvenssit ja muuntavat ne takaisin tiedoksi, jota tietokone voi ymmärtää. Tutkijoiden mukaan projektin tavoitteena ei ollut osoittaa, että järjestelmä voisi toimia nopeasti tai halvalla, vaan yksinkertaisesti osoittaa, että automaatio on mahdollista.
Yksi automaattisen DNA-säilytysjärjestelmän ilmeisimmistä eduista on, että se vapauttaa tutkijat ratkaisemaan monimutkaisia ongelmia tuhlaamatta aikaa reagenssipullojen etsimiseen tai nestepisaroiden lisäämisen yksitoikkoisuuteen koeputkiin.
"Automaattinen järjestelmä toistuvan työn tekemiseen antaa laboratorioille mahdollisuuden keskittyä suoraan tutkimukseen ja kehittää uusia strategioita innovoidakseen nopeammin", sanoi Microsoftin tutkija Bihlin Nguyen.
Ryhmä molekyylitietojärjestelmien laboratoriosta (MISL) on jo osoittanut, että se pystyy tallentamaan valokuvia kissoista, upeita kirjallisuusteoksia, ja arkistoidut DNA-tietueet ja purkaa nämä tiedostot ilman virheitä. Tähän mennessä he ovat pystyneet tallentamaan 1 gigatavun dataa DNA:han, lyömällä .
Tutkijat ovat myös kehittäneet menetelmiä kuten löytää ja hakea vain kuvia, jotka sisältävät omenan tai vihreän polkupyörän itse molekyylejä käyttämällä muuntamatta tiedostoja takaisin digitaaliseen muotoon.
”Voimme turvallisesti sanoa, että olemme todistamassa uudentyyppisen tietokonejärjestelmän syntyä, jossa molekyylejä käytetään tiedon tallentamiseen ja elektroniikkaa ohjaukseen ja käsittelyyn. Tämä yhdistelmä avaa erittäin mielenkiintoisia mahdollisuuksia tulevaisuudelle”, sanoi Allen Schoolin professori Washingtonin yliopistosta. .
Toisin kuin piipohjaisissa laskentajärjestelmissä, DNA-pohjaisten tallennus- ja laskentajärjestelmien on käytettävä nesteitä molekyylien siirtämiseen. Mutta nesteet ovat luonteeltaan erilaisia kuin elektronit ja vaativat täysin uusia teknisiä ratkaisuja.
Washingtonin yliopiston tiimi kehittää yhteistyössä Microsoftin kanssa myös ohjelmoitavaa järjestelmää, joka automatisoi laboratoriokokeet käyttämällä sähkön ja veden ominaisuuksia siirtämään pisaroita elektrodiverkossa. Täydellinen ohjelmisto- ja laitteistosarja nimeltä , voi sekoittaa, erottaa, lämmittää tai jäähdyttää erilaisia nesteitä ja suorittaa laboratorioprotokollia.
Tavoitteena on automatisoida laboratoriokokeet, joita tällä hetkellä tehdään käsin tai kalliilla nesteannostelorobotteilla ja alentaa kustannuksia.
MISL-tiimin seuraavat askeleet ovat yksinkertaisen, päästä-päähän automatisoidun järjestelmän integrointi teknologioihin, kuten Purple Drop, sekä muihin tekniikoihin, jotka mahdollistavat DNA-molekyylien etsimisen. Tutkijat tekivät tietoisesti automatisoidusta järjestelmästään modulaarisen, jotta se voisi kehittyä uusien DNA-synteesin, sekvensoinnin ja manipuloinnin teknologioiden ilmaantuessa.
"Yksi tämän järjestelmän eduista on, että jos haluamme korvata yhden osan uudella, paremmalla tai nopeammalla, voimme vain kytkeä uuden osan", Nguyen sanoi. "Tämä antaa meille enemmän joustavuutta tulevaisuutta varten."
Yläkuva: Microsoftin ja Washingtonin yliopiston tutkijat tallensivat ja laskivat sanan "hei", käyttäen ensimmäistä täysin automatisoitua DNA-tietojen tallennusjärjestelmää. Tämä on keskeinen askel uuden teknologian siirtämisessä laboratorioista kaupallisiin datakeskuksiin.
Lähde: will.com