Istraživači iz Microsofta i Sveučilišta u Washingtonu demonstrirali su prvi potpuno automatizirani sustav pohrane podataka u umjetno stvorenoj DNK s mogućnošću očitavanja. To je ključni korak prema prijenosu nove tehnologije iz istraživačkih laboratorija u komercijalne centre za obradu podataka.
Programeri su potvrdili koncept jednostavnim testom: uspješno su kodirali riječ „hello” u fragmentima sintetičke molekule DNK i pretvorili je natrag u digitalne podatke koristeći potpuno automatizirani sustav kojim se opisuje u , objavljenom 21. ožujka u Nature Scientific Reports.
U molekulama DNK može se pohranjivati digitalna informacija s vrlo visokom gustoćom, odnosno u fizičkom prostoru koji je mnogo manji od onog koji zauzimaju suvremeni centri za obranu podataka. Ovo je jedno od obećavajućih rješenja za pohranu ogromne količine podataka koje svijet generira svaki dan, od poslovnih zapisa i videa s ljubimcima, do medicinskih snimaka i slika iz svemira.
Microsoft istražuje načine za svladavanje potencijalnog jaza između i želimo pohraniti, i naše sposobnosti da ih čuvamo. Među tim metodama su razvoj algoritama i tehnologija molekularnog računalstva za . To bi omogućilo smještanje svih informacija koje se čuvaju u velikom suvremenom centru obrade podataka u prostor otprilike jednake veličine nekoliko kockica za igre.
„Naš glavni cilj je pokrenuti sustav koji će se za krajnjeg korisnika činiti gotovo identičnim bilo kojem drugom sustavu za pohranu u oblaku: podaci se šalju u centar za obradu podataka i tamo se pohranjuju, a zatim se jednostavno pojavljuju kada su potrebni klijentima,” kaže viša istraživačica Microsofta Karin Strauss. „Za to smo morali dokazati da to ima praktični smisao s aspekta automatizacije.”
Informacije se pohranjuju u sintetičkim DNK molekulama koje su stvorene u laboratoriju, a ne u DNK ljudi ili drugih živih bića, i mogu biti šifrirane prije slanja u sustav. Iako složeni uređaji, poput sintetizatora i sekvencera, već obavljaju ključne dijelove procesa, mnogi od međufaza još uvijek zahtijevaju ručni rad u istraživačkom laboratoriju. "To nije prikladno za komercijalnu upotrebu", rekao je Chris Takahashi, viši istraživač u Paul G. Allen Školi računalnih znanosti i inženjerstva na Sveučilištu u SAD-u.).
"U centru za obradu podataka ne mogu trčati ljudi s pipetama, jer je takav pristup previše sklon ljudskim pogreškama, preskup je i zahtijeva previše prostora", objasnio je Takahashi.
Da bi ova metoda pohrane podataka imala smisla s komercijalne točke gledišta, troškovi za sintetičko DNK - stvaranje osnovnih građevinskih blokova s značajnim sekvencama, kao i proces sekvenciranja, koji je potreban za čitanje pohranjene informacije, moraju se smanjiti. Istraživači kažu da se u tom smjeru odvija .
Prema riječima istraživača iz Microsofta, automatizacija je još jedan ključni dio ove zagonetke koji omogućuje organizaciju pohrane podataka na komercijalnoj razini i čini je dostupnijom.
Pod određenim uvjetima, DNK može postojati mnogo duže od suvremenih sredstava za arhiviranje koja propadaju tijekom desetljeća. Neka DNK su se uspjela očuvati u daleko od idealnih uvjeta tijekom desetaka tisuća godina - u mamutovim kljovama i kostima ranih ljudi. To znači da se podaci mogu pohranjivati na ovaj način sve dok ljudski rod postoji.
Automatizirani sustav za pohranu DNK koristi softver razvijen od strane stručnjaka iz Microsofta i Sveučilišta u Washingtonu (UW). On pretvara jedinice i nule digitalnih podataka u sekvence nukleotida (A, T, C i G), koje čine „gradivne blokove“ DNK. Sustav zatim koristi jeftinu, većinom standardnu, laboratorijsku opremu za isporuku potrebnih tekućina i reagensa u sintetizator, koji sastavlja izrađene fragmente DNK i smješta ih u spremnik za pohranu.
Kada sustavu zatreba informacije, dodaje druge kemikalije za pravilnu pripremu DNK i koristi mikrofluidne pumpe za protiskivanje tekućina u dijelove sustava koji očitavaju sekvence molekula DNK i pretvaraju ih natrag u informacije razumljive računalima. Istraživači kažu da je cilj projekta bio ne dokazati da sustav može raditi brzo ili jeftino, već jednostavno pokazati da je automatizacija moguća.
Jedna od najopipljivijih prednosti automatiziranog sustava pohrane DNK je ta što oslobađa znanstvenike da se fokusiraju na složenije zadatke, a da ne gube vrijeme na traženje boca s reagentima ili monotono dodavanje kapljica tekućine u epruvete.
"Imati automatizirani sustav za izvođenje ponavljajućih zadataka omogućava laboratorijskom osoblju da se usredotoči na istraživanja, razvijajući nove strategije za brže uvođenje inovacija", rekao je istraživač iz Microsofta Bihlin Nguyen.
Tim iz Laboratorija molekularnih informacijskih sustava (MISL) već je demonstrirao da može pohraniti fotografije mačića, izvanredne književne radove, i arhivske zapise u DNK i izvući te datoteke bez greške. Do danas su uspjeli pohraniti 1 gigabajt podataka u DNK, oborivši .
Istraživači su također razvili metode za , poput pretraživanja i izvlačenja samo slika na kojima se nalazi jabuka ili zeleni bicikl, koristeći same molekule, bez pretvaranja datoteka natrag u digitalni oblik.
„Možemo s povjerenjem reći da svjedočimo rođenju računarskog sustava novog tipa, u kojem se za pohranu podataka koriste molekuli, a za upravljanje i obradu - elektronika. Ova kombinacija otvara vrlo zanimljive mogućnosti za budućnost“, rekao je profesor iz Allen School-a Univerziteta Washington. .
Za razliku od računalnih sustava temeljenih na silicijskim komponentama, sustavi za pohranu i računanje temeljeni na DNK trebaju koristiti tekućine za premještanje molekula. No tekućine po svojoj prirodi razlikuju se od elektrona i zahtijevaju potpuno nova tehnička rješenja.
Tim sa Univerziteta Washington, u suradnji s Microsoftom, također razvija programabilni sustav koji automatizira laboratorijske eksperimenta, koristeći svojstva električne energije i vode za pomicanje kapljica na mreži elektroda. Kompletni skup softvera i hardvera, poznat kao , može miješati, odvajati, grijati ili hladiti različite tekućine i provoditi laboratorijske protokole.
Cilj je automatizirati laboratorijske eksperimente koji se trenutno provode ručno ili skupim robotima koji rade s tekućinama, te smanjiti troškove.
Sljedeći koraci za tim MISL uključuju integraciju jednostavnog krajnjeg automatskog sustava s tehnologijama poput Purple Drop, kao i drugim tehnologijama koje omogućuju pretraživanje molekula DNK. Istraživači su posebno napravili svoj automatizirani sustav modularnim, kako bi mogao napredovati s pojavom novih tehnologija za sintezu, sekvenciranje i rad s DNK.
„Jedna od prednosti ovog sustava je to što ako želimo zamijeniti jedan od dijelova nečim novim, naprednijim ili bržim, možemo jednostavno priključiti novi dio“, rekao je Nguyen. „To nam daje veliku fleksibilnost u budućnosti.“
Gornja slika: istraživači iz Microsofta i Univerziteta Washington snimili su i prebrojali riječ „hello“, koristeći prvi potpuno automatizirani sustav za pohranu podataka u DNK. Ovo je ključni korak za prijenos nove tehnologije iz laboratorija u komercijalne centra za podatke.
Izvor: habr.com
