Istraživači iz Microsofta i Sveučilišta u Washingtonu demonstrirali su prvi potpuno automatizirani, čitljiv sustav za pohranu podataka za umjetno stvorenu DNK. Ovo je ključni korak prema premještanju nove tehnologije iz istraživačkih laboratorija u komercijalne podatkovne centre.
Programeri su dokazali koncept jednostavnim testom: uspješno su kodirali riječ "zdravo" u fragmente sintetičke molekule DNK i pretvorili je natrag u digitalne podatke pomoću potpuno automatiziranog end-to-end sustava, koji je opisan u , objavljen 21. ožujka u časopisu Nature Scientific Reports.
Molekule DNK mogu pohraniti digitalne informacije vrlo visoke gustoće, to jest u fizičkom prostoru koji je mnogo redova veličine manji od onoga koji zauzimaju moderni podatkovni centri. To je jedno od obećavajućih rješenja za pohranjivanje goleme količine podataka koje svijet stvara svaki dan, od poslovnih zapisa i videa slatkih životinja do medicinskih fotografija i slika iz svemira.
Microsoft istražuje načine za premošćivanje potencijalnog jaza između i želimo sačuvati, i naša sposobnost da ih sačuvamo. Te metode uključuju razvoj algoritama i molekularnih računalnih tehnologija za . To bi omogućilo da sve informacije pohranjene u velikom modernom podatkovnom centru stanu u prostor veličine otprilike nekoliko kockica.
"Naš glavni cilj je pokrenuti sustav koji krajnjem korisniku izgleda gotovo kao bilo koji drugi sustav za pohranu podataka u oblaku: informacije se šalju u podatkovni centar i tamo pohranjuju, a zatim se jednostavno pojavljuju kada ih korisnik treba", kaže Sr. Microsoftova istraživačica Karin Strauss. "Da bismo to učinili, morali smo dokazati da to ima praktičnog smisla iz perspektive automatizacije."
Informacije su pohranjene u sintetskim DNK molekulama stvorenim u laboratoriju, a ne u DNK ljudi ili drugih živih bića, i mogu se šifrirati prije slanja u sustav. Iako složeni strojevi poput sintesajzera i sekvencera već obavljaju ključne dijelove procesa, mnogi međukoraci do sada su zahtijevali ručni rad u istraživačkom laboratoriju. "Nije prikladan za komercijalnu upotrebu", rekao je Chris Takahashi, viši znanstveni suradnik na Paul Allen School of Computer Science and Engineering pri USF-u ().
"Ne možete imati ljude koji trče po podatkovnom centru s pipetama, ovaj pristup ima previše potencijala za ljudske pogreške, preskup je i zauzima previše prostora", objasnio je Takahashi.
Da bi ova metoda pohranjivanja podataka imala komercijalnog smisla, troškovi sinteze DNK - stvaranje temeljnih građevnih blokova smislenih nizova - i procesa sekvenciranja potrebnog za očitavanje pohranjenih informacija moraju se smanjiti. Istraživači kažu da je ovo smjer .
Prema Microsoftovim istraživačima, automatizacija je još jedan ključni dio slagalice za omogućavanje pohrane podataka u komercijalnim razmjerima i cjenovno pristupačniju.
Pod određenim uvjetima, DNK može trajati puno dulje od modernih arhivskih sustava za pohranu, koji se degradiraju desetljećima. Dio DNK uspio je preživjeti u ne baš idealnim uvjetima desetke tisuća godina — u kljovama mamuta i kostima ranih ljudi. To znači da se podaci na ovaj način mogu pohranjivati sve dok postoji čovječanstvo.
Automatizirani sustav za pohranu DNK koristi softver koji su razvili Microsoft i Sveučilište Washington (UW). Pretvara jedinice i nule digitalnih podataka u nizove nukleotida (A, T, C i G), koji su "građevni blokovi" DNK. Sustav zatim koristi jeftinu, uglavnom gotovu, laboratorijsku opremu za opskrbu potrebnim tekućinama i reagensima u sintetizatoru, koji skuplja proizvedene fragmente DNK i stavlja ih u spremnik za pohranu.
Kada sustav treba izvući informacije, dodaje druge kemikalije kako bi pravilno pripremio DNK i koristi mikrofluidne pumpe za potiskivanje tekućina u dijelove sustava koji čitaju sekvence DNK molekula i pretvaraju ih natrag u informacije koje računalo može razumjeti. Istraživači kažu da cilj projekta nije bio dokazati da sustav može raditi brzo ili jeftino, već jednostavno pokazati da je automatizacija moguća.
Jedna od najočitijih prednosti automatiziranog sustava za pohranjivanje DNK je ta što znanstvenicima omogućuje rješavanje složenih problema bez gubljenja vremena na traženje boca s reagensima ili monotonije dodavanja kapi tekućine u epruvete.
"Posjedovanje automatiziranog sustava za obavljanje ponavljajućeg rada omogućuje laboratorijskom osoblju da se izravno usredotoči na istraživanje, razvije nove strategije za bržu inovaciju", rekao je Microsoftov istraživač Bihlin Nguyen.
Tim iz Laboratorija za molekularne informacijske sustave (MISL) već je pokazao da može pohraniti fotografije mačaka, prekrasna književna djela, i arhivirane DNK zapise i ekstrahirajte te datoteke bez pogrešaka. Do danas su uspjeli pohraniti 1 gigabajt podataka u DNK, nadmašujući .
Istraživači su također razvili metode za kao što je pronalaženje i dohvaćanje samo slika koje sadrže jabuku ili zeleni bicikl koristeći same molekule, bez pretvaranja datoteka natrag u digitalni format.
“Sa sigurnošću se može reći da svjedočimo rađanju nove vrste računalnog sustava, onog koji koristi molekule za pohranu podataka i elektroniku za njihovu kontrolu i obradu. Ova kombinacija otvara vrlo zanimljive mogućnosti za budućnost”, rekao je profesor Allen School na Sveučilištu Washington .
Za razliku od računalnih sustava temeljenih na siliciju, sustavi za pohranu i računalstvo temeljeni na DNK moraju koristiti tekućine za pomicanje molekula. Ali tekućine su po prirodi drugačije od elektrona i zahtijevaju potpuno nova tehnička rješenja.
Tim Sveučilišta u Washingtonu, u suradnji s Microsoftom, također razvija programabilni sustav koji automatizira laboratorijske pokuse korištenjem svojstava struje i vode za pomicanje kapljica na mreži elektroda. Kompletan set softvera i hardvera tzv , može miješati, razdvajati, grijati ili hladiti različite tekućine i provoditi laboratorijske protokole.
Cilj je automatizirati laboratorijske eksperimente koji se trenutno izvode ručno ili skupim robotima za rukovanje tekućinama i smanjiti troškove.
Sljedeći koraci za MISL tim uključuju integraciju jednostavnog, end-to-end automatiziranog sustava s tehnologijama kao što je Purple Drop, kao i drugim tehnologijama koje omogućuju pretraživanje molekula DNK. Istraživači su namjerno napravili svoj automatizirani sustav modularnim kako bi se mogao razvijati s pojavom novih tehnologija za sintezu DNK, sekvenciranje i manipulaciju.
"Jedna od prednosti ovog sustava je da ako želimo zamijeniti jedan od dijelova s nečim novim, boljim ili bržim, možemo jednostavno priključiti novi dio", rekao je Nguyen. "To nam daje veću fleksibilnost za budućnost."
Gornja slika: Istraživači iz Microsofta i Sveučilišta Washington snimili su i prebrojali riječ "halo“, koristeći prvi potpuno automatizirani sustav za pohranu DNK podataka. Ovo je ključni korak u premještanju nove tehnologije iz laboratorija u komercijalne podatkovne centre.
Izvor: www.habr.com