Vísindamenn frá Microsoft og háskólanum í Washington hafa sýnt fram á fyrsta sjálfvirka, læsilega gagnageymslukerfið fyrir tilbúið DNA. Þetta er lykilskref í átt að því að færa nýja tækni frá rannsóknarstofum til viðskiptagagnavera.
Hönnuðir sönnuðu hugmyndina með einfaldri prófun: þeir kóðuðu orðið „halló“ með góðum árangri í brot af tilbúinni DNA sameind og breyttu því aftur í stafræn gögn með því að nota fullkomlega sjálfvirkt enda-til-enda kerfi, sem lýst er í , birt 21. mars í Nature Scientific Reports.
DNA sameindir geta geymt stafrænar upplýsingar í mjög miklum þéttleika, það er að segja í líkamlegu rými sem er mörgum stærðargráðum minna en það sem er í nútíma gagnaverum. Það er ein af efnilegu lausnunum til að geyma mikið magn gagna sem heimurinn býr til á hverjum degi, allt frá viðskiptagögnum og myndböndum af sætum dýrum til læknisfræðilegra ljósmynda og mynda úr geimnum.
Microsoft er að kanna leiðir til að brúa hugsanlegt bil á milli og við viljum varðveita, og getu okkar til að varðveita þá. Þessar aðferðir fela í sér þróun á reikniritum og sameindatölvutækni fyrir . Þetta myndi leyfa öllum upplýsingum sem geymdar eru í stóru nútímalegu gagnaveri að passa inn í rými sem er nokkurn veginn á stærð við nokkra teninga.
„Aðalmarkmið okkar er að setja í framleiðslu kerfi sem lítur út fyrir endanotandann nánast eins og hvert annað skýjageymslukerfi: upplýsingar eru sendar í gagnaverið og geymdar þar og þá birtast þær einfaldlega þegar viðskiptavinurinn þarf á þeim að halda. ,” segir Karin Strauss, rannsóknarmaður eldri Microsoft. „Til að gera þetta þurftum við að sanna að það væri raunhæft frá sjónarhóli sjálfvirkni.
Upplýsingarnar eru geymdar í tilbúnum DNA sameindum sem eru búnar til á rannsóknarstofu, frekar en í DNA manna eða annarra lífvera, og hægt er að dulkóða þær áður en þær eru sendar í kerfið. Þrátt fyrir að flóknar vélar eins og hljóðgervlar og raðgreinar framkvæmi nú þegar lykilhluta ferlisins, hafa mörg milliþrepanna fram að þessu krafist handavinnu á rannsóknarstofu. „Það hentar ekki til notkunar í atvinnuskyni,“ sagði Chris Takahashi, háttsettur rannsóknarfélagi við Paul Allen School of Computer Science and Engineering við USF ().
„Þú getur ekki látið fólk hlaupa um gagnaverið með pípettur, það er of viðkvæmt fyrir mannlegum mistökum, það er of dýrt og það tekur of mikið pláss,“ útskýrði Takahashi.
Til þess að þessi gagnageymsluaðferð sé skynsamleg í viðskiptalegum tilgangi verður að draga úr kostnaði við DNA nýmyndun – sem býr til grundvallar byggingareiningar þýðingarmikilla raða – og raðgreiningarferli sem þarf til að lesa geymdar upplýsingar. Vísindamenn segja að þetta sé stefnan .
Sjálfvirkni er annar lykilþáttur í ráðgátunni, sem gerir gagnageymslu í viðskiptalegum mælikvarða og hagkvæmari, að sögn Microsoft vísindamanna.
Við ákveðnar aðstæður getur DNA varað miklu lengur en nútíma geymslukerfi, sem brotna niður í áratugi. Sumt DNA hefur tekist að lifa af við minna en kjöraðstæður í tugþúsundir ára — í mammúttönnum og í beinum fyrstu manna. Þetta þýðir að hægt er að geyma gögn á þennan hátt svo lengi sem mannkynið er til.
Sjálfvirka DNA geymslukerfið notar hugbúnað þróað af Microsoft og University of Washington (UW). Það breytir einum og núllum stafrænna gagna í kirnisraðir (A, T, C og G), sem eru „byggingareiningar“ DNA. Kerfið notar síðan ódýran, aðallega lausan hilluna, rannsóknarstofubúnað til að útvega nauðsynlegum vökva og hvarfefnum til gervils, sem safnar tilbúnum DNA-brotum og setur þá í geymsluílát.
Þegar kerfið þarf að vinna út upplýsingar bætir það við öðrum efnum til að undirbúa DNA almennilega og notar örvökvadælur til að ýta vökva inn í hluta kerfisins sem lesa raðir DNA sameinda og breyta þeim aftur í upplýsingar sem tölva getur skilið. Vísindamennirnir segja að markmið verkefnisins hafi ekki verið að sanna að kerfið gæti virkað hratt eða ódýrt heldur einfaldlega að sýna fram á að sjálfvirkni væri möguleg.
Einn augljósasti kosturinn við sjálfvirkt DNA geymslukerfi er að það gerir vísindamönnum kleift að leysa flókin vandamál án þess að eyða tíma í að leita að flöskum af hvarfefnum eða einhæfni þess að bæta dropum af vökva í tilraunaglös.
„Að hafa sjálfvirkt kerfi til að vinna endurtekna vinnu gerir rannsóknarstofum kleift að einbeita sér beint að rannsóknum og þróa nýjar aðferðir til að gera nýsköpun hraðar,“ sagði Bihlin Nguyen, rannsóknarmaður Microsoft.
Teymi frá Rannsóknarstofu í sameindaupplýsingakerfum (MISL) hefur þegar sýnt fram á að það getur geymt ljósmyndir af köttum, dásamleg bókmenntaverk, og geymdu DNA-skrár og draga þessar skrár út án villna. Hingað til hafa þeir getað geymt 1 gígabæt af gögnum í DNA, sláandi .
Vísindamenn hafa einnig þróað aðferðir við eins og að finna og sækja aðeins myndir sem innihalda epli eða grænt reiðhjól með því að nota sameindirnar sjálfar, án þess að breyta skránum aftur á stafrænt snið.
„Það er óhætt að segja að við séum að verða vitni að nýrri gerð tölvukerfa þar sem sameindir eru notaðar til gagnageymslu og rafeindatækni til eftirlits og vinnslu. Þessi samsetning opnar mjög áhugaverða möguleika fyrir framtíðina,“ sagði Allen School prófessorinn við háskólann í Washington. .
Ólíkt tölvukerfum sem byggjast á sílikon, verða DNA-undirstaða geymslu- og tölvukerfi að nota vökva til að færa sameindir. En vökvar eru annars eðlis en rafeindir og krefjast algjörlega nýrra tæknilausna.
Teymi háskólans í Washington, í samvinnu við Microsoft, er einnig að þróa forritanlegt kerfi sem gerir tilraunir á rannsóknarstofu sjálfvirkt með því að nota eiginleika rafmagns og vatns til að færa dropa á rafskautsnet. Heilt sett af hugbúnaði og vélbúnaði sem kallast , getur blandað, aðskilið, hitað eða kælt ýmsa vökva og framkvæmt rannsóknarstofusamskiptareglur.
Markmiðið er að gera tilraunir á rannsóknarstofu sem nú eru framkvæmdar handvirkt eða af dýrum vökvameðhöndlunarvélmennum sjálfvirkar og draga úr kostnaði.
Næstu skref fyrir MISL teymið fela í sér að samþætta einfalt, enda til enda sjálfvirkt kerfi við tækni eins og Purple Drop, auk annarrar tækni sem gerir leit að DNA sameindum. Rannsakendur gerðu sjálfvirka kerfið sitt vísvitandi mát þannig að það gæti þróast eftir því sem ný tækni fyrir DNA nýmyndun, raðgreiningu og meðhöndlun kom fram.
„Einn af kostunum við þetta kerfi er að ef við viljum skipta út einum af hlutunum fyrir eitthvað nýtt, betra eða hraðari, getum við bara tengt nýja hlutanum,“ sagði Nguyen. „Þetta gefur okkur meiri sveigjanleika fyrir framtíðina.
Efsta mynd: Vísindamenn frá Microsoft og háskólanum í Washington tóku upp og töldu orðið "halló“, með því að nota fyrsta fullkomlega sjálfvirka DNA gagnageymslukerfið. Þetta er lykilskref í því að færa nýja tækni frá rannsóknarstofum til viðskiptagagnavera.
Heimild: www.habr.com