A Microsoft és a Washingtoni Egyetem kutatói bemutatták az első teljesen automatizált, olvasható adattároló rendszert a mesterségesen létrehozott DNS számára. Ez kulcsfontosságú lépés az új technológia kutatási laboratóriumokból a kereskedelmi adatközpontokba való áthelyezése felé.
A fejlesztők egy egyszerű teszttel igazolták a koncepciót: sikeresen kódolták a "hello" szót egy szintetikus DNS-molekula töredékeibe, és egy teljesen automatizált end-to-end rendszer segítségével visszaalakították digitális adatokká, aminek leírása a következő: március 21-én jelent meg a Nature Scientific Reports-ban.
A DNS-molekulák nagyon nagy sűrűségben képesek digitális információt tárolni, vagyis olyan fizikai térben, amely sok nagyságrenddel kisebb, mint a modern adatközpontok által elfoglalt hely. Ez az egyik ígéretes megoldás a világ által nap mint nap generált hatalmas mennyiségű adat tárolására, az üzleti feljegyzésektől és az aranyos állatokról készült videóktól az orvosi fényképekig és az űrből készült képekig.
A Microsoft azt vizsgálja, hogyan lehetne áthidalni a lehetséges szakadékot és meg akarjuk őrizni őket, és a képességünket, hogy megőrizzük őket. Ezek a módszerek magukban foglalják az algoritmusok és a molekuláris számítási technológiák fejlesztését . Ez lehetővé tenné, hogy egy nagy modern adatközpontban tárolt összes információ elférjen egy nagyjából több kocka méretű helyen.
„A fő célunk egy olyan rendszer elindítása, amely a végfelhasználó számára szinte ugyanúgy néz ki, mint bármely más felhőalapú tárolórendszer: az információ az adatközpontba kerül, ott tárolódik, majd egyszerűen megjelenik, amikor a kliensnek szüksége van rá, ” – mondja Karin Strauss, a Microsoft idősebb kutatója. „Ehhez be kellett bizonyítanunk, hogy ennek gyakorlati értelme van automatizálási szempontból.”
Az információkat a laboratóriumban létrehozott szintetikus DNS-molekulák tárolják, nem pedig az emberek vagy más élőlények DNS-e, és titkosíthatók, mielőtt elküldik a rendszerbe. Bár az összetett gépek, mint például a szintetizátorok és a szekvenálók már végrehajtják a folyamat kulcsfontosságú részeit, sok közbenső lépés mostanáig kézi munkát igényelt egy kutatólaboratóriumban. "Nem alkalmas kereskedelmi használatra" - mondta Chris Takahashi, a USF Paul Allen Számítástechnikai és Mérnöki Iskola vezető tudományos munkatársa.).
„Nem szaladgálhatnak az emberek pipettákkal az adatközpontban, túlságosan hajlamos az emberi hibákra, túl drága és túl sok helyet foglal” – magyarázta Takahashi.
Ahhoz, hogy ez az adattárolási módszer kereskedelmi szempontból értelmes legyen, csökkenteni kell mind a DNS-szintézis – amely az értelmes szekvenciák alapvető építőköveit hozzuk létre –, mind a tárolt információ olvasásához szükséges szekvenálási folyamat költségeit. A kutatók szerint ez az irány .
A Microsoft kutatói szerint az automatizálás a rejtvény másik kulcsfontosságú eleme, amely kereskedelmi méretekben és megfizethetőbbé teszi az adattárolást.
Bizonyos körülmények között a DNS sokkal tovább tarthat, mint a modern archív tárolórendszerek, amelyek évtizedek alatt lebomlanak. Egyes DNS-eknek több tízezer évig sikerült túlélniük az ideálisnál kevésbé körülményes körülmények között – a mamut agyarában és a korai ember csontjaiban. Ez azt jelenti, hogy az emberiség létezéséig tárolhatók ilyen módon az adatok.
Az automatizált DNS-tároló rendszer a Microsoft és a Washingtoni Egyetem (UW) által fejlesztett szoftvert használ. A digitális adatok egyeseit és nulláit nukleotidszekvenciákká (A, T, C és G) alakítja át, amelyek a DNS „építőkövei”. A rendszer ezután olcsó, többnyire már készen kapható laboratóriumi berendezésekkel ellátja a szükséges folyadékokat és reagenseket a szintetizátorba, amely összegyűjti az előállított DNS-fragmenseket, és egy tárolóedénybe helyezi.
Amikor a rendszernek információt kell kinyernie, más vegyszereket ad hozzá a DNS megfelelő előkészítéséhez, és mikrofluidikus pumpákkal juttatja a folyadékokat a rendszer részeibe, amelyek kiolvassák a DNS-molekulák szekvenciáit, és visszaalakítják azokat a számítógép által megérthető információkká. A kutatók szerint a projekt célja nem az volt, hogy bebizonyítsák, hogy a rendszer képes gyorsan vagy olcsón működni, hanem egyszerűen annak bemutatása, hogy lehetséges az automatizálás.
Az automatizált DNS-tároló rendszer egyik legnyilvánvalóbb előnye, hogy lehetővé teszi a tudósok számára, hogy összetett problémákat oldjanak meg anélkül, hogy időt vesztegetnének a reagenspalackok keresésére vagy a folyadékcseppek kémcsövekbe való adagolásának monotóniájára.
"Az ismétlődő munkát végző automatizált rendszer lehetővé teszi a laboratóriumok számára, hogy közvetlenül a kutatásra összpontosítsanak, és új stratégiákat dolgozzanak ki a gyorsabb innováció érdekében" - mondta Bihlin Nguyen, a Microsoft kutatója.
A Molekuláris Információs Rendszerek Laboratóriumának csapata (MISL) már bebizonyította, hogy képes tárolni macskákról készült fényképeket, csodálatos irodalmi műveket, és archivált DNS-rekordokat, és hiba nélkül kibontja ezeket a fájlokat. A mai napig 1 gigabájtnyi adatot tudtak tárolni a DNS-ben, verve .
A kutatók módszereket is kidolgoztak például csak olyan képeket kereshet és kérhet le, amelyek egy almát vagy egy zöld kerékpárt tartalmaznak maguknak a molekuláknak a felhasználásával anélkül, hogy a fájlokat vissza kellene konvertálni digitális formátumba.
„Biztosan kijelenthetjük, hogy egy új típusú számítógépes rendszer megszületésének lehetünk tanúi, amelyben molekulákat használnak adattárolásra, elektronikát pedig vezérlésre és feldolgozásra. Ez a kombináció nagyon érdekes lehetőségeket nyit meg a jövő számára” – mondta az Allen School professzora a Washingtoni Egyetemről. .
A szilícium alapú számítástechnikai rendszerekkel ellentétben a DNS-alapú tároló- és számítástechnikai rendszereknek folyadékokat kell használniuk a molekulák mozgatásához. De a folyadékok természetükben különböznek az elektronoktól, és teljesen új technikai megoldásokat igényelnek.
A Washingtoni Egyetem csapata a Microsofttal együttműködve egy olyan programozható rendszert is fejleszt, amely automatizálja a laboratóriumi kísérleteket az elektromosság és a víz tulajdonságainak felhasználásával cseppecskék mozgatására az elektródák rácsán. A szoftver és hardver teljes készletét ún , különféle folyadékokat keverhet, szétválaszthat, melegíthet vagy hűthet, és laboratóriumi protokollokat végezhet.
A cél a jelenleg manuálisan vagy drága folyadékkezelő robotokkal végzett laboratóriumi kísérletek automatizálása és a költségek csökkentése.
A MISL csapatának következő lépései közé tartozik egy egyszerű, teljes körű automatizált rendszer integrálása olyan technológiákkal, mint a Purple Drop, valamint más technológiákkal, amelyek lehetővé teszik a DNS-molekulák keresését. A kutatók szándékosan modulárissá tették automatizált rendszerüket, hogy a DNS-szintézis, szekvenálás és manipuláció új technológiáinak megjelenésével fejlődhessen.
"Ennek a rendszernek az egyik előnye, hogy ha az egyik alkatrészt valami újra, jobbra vagy gyorsabbra akarjuk cserélni, egyszerűen bedughatjuk az új alkatrészt" - mondta Nguyen. "Ez nagyobb rugalmasságot biztosít számunkra a jövőre nézve."
Felső kép: A Microsoft és a Washingtoni Egyetem kutatói rögzítették és megszámolták a " szótszia", az első teljesen automatizált DNS-adattároló rendszerrel. Ez kulcsfontosságú lépés az új technológia laboratóriumokból a kereskedelmi adatközpontokba való áthelyezésében.
Forrás: will.com