I ricercatori di Microsoft e dell'Università di Washington hanno dimostrato il primo sistema di archiviazione completamente automatizzato basato su DNA artificiale con capacità di lettura. Questo è un passo fondamentale per trasferire una nuova tecnologia dai laboratori di ricerca ai centri di elaborazione dati commerciali.
Gli sviluppatori hanno confermato il concetto attraverso un semplice test: hanno codificato con successo la parola «hello» in frammenti di molecola di DNA sintetico e l'hanno trasformata di nuovo in dati digitali, utilizzando un sistema end-to-end completamente automatizzato che è descritto in , pubblicato il 21 marzo su Nature Scientific Reports.
Nelle molecole di DNA è possibile immagazzinare informazioni digitali con una densità estremamente alta, in uno spazio fisico di gran lunga inferiore a quello occupato dagli attuali centri di elaborazione dati. Questa è una delle soluzioni promettenti per l'archiviazione di enormi quantità di dati che il mondo genera ogni giorno, dai registri commerciali e video di animali carini alle immagini mediche e a quelle dallo spazio.
Microsoft sta esplorando modi per superare il potenziale divario tra e l'intenzione di mantenerli, e la nostra capacità di archiviarli. Tra questi modi, c'è lo sviluppo di algoritmi e tecnologie di calcolo molecolare per . Questo permetterebbe di comprimere tutte le informazioni contenute in un grande moderno centro di elaborazione dati in uno spazio di dimensioni simili a quelle di alcuni dadi.
«Il nostro obiettivo principale è implementare un sistema che per l'utente finale appaia quasi identico a qualsiasi altro sistema di archiviazione cloud: le informazioni vengono inviate al centro di elaborazione dati e vi sono conservate, e poi appaiono semplicemente quando necessario da parte del cliente», ha affermato Karin Strauss, senior researcher di Microsoft. «Per questo abbiamo dovuto dimostrare che ha senso pratico in termini di automazione».
L'informazione è immagazzinata in molecole di DNA sintetiche create in laboratorio, piuttosto che nel DNA di esseri umani o altri organismi viventi, e può essere crittografata prima di essere inviata al sistema. Anche se macchine complesse, come sintetizzatori e sequenziatori, eseguono già parti chiave del processo, molti dei passaggi intermedi richiedono ancora lavoro manuale in laboratorio di ricerca. «Non è adatto per l'uso commerciale», ha dichiarato Chris Takahashi, senior researcher alla Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering dell'Università degli Stati Uniti.).
«Non possono esserci persone con pipette che corrono attraverso il centro dati; con questo approccio c'è un'alta probabilità di errore umano, è troppo costoso e richiede troppo spazio», ha spiegato Takahashi.
Affinché questo metodo di archiviazione dei dati abbia un senso commerciale, è necessario ridurre i costi sia per la sintesi del DNA — creazione dei blocchi fondamentali con sequenze significative, sia per il processo di sequenziamento, che è necessario per leggere le informazioni salvate. I ricercatori affermano che in questo campo c'è .
Secondo i ricercatori di Microsoft, l'automazione è un'altra parte fondamentale di questo puzzle, che consente di organizzare l'archiviazione dei dati su scala commerciale e renderla più accessibile.
Sotto determinate condizioni, il DNA può esistere molto più a lungo rispetto ai moderni mezzi di archiviazione, che si deteriorano nel giro di decenni. Alcuni DNA sono riusciti a conservarsi in condizioni lontane dall'ideale per decine di migliaia di anni — nei zanne di mammut e nelle ossa dei primi esseri umani. Ciò significa che i dati possono essere archiviati in questo modo finché esiste l'umanità.
Il sistema di archiviazione automatizzato dei dati DNA utilizza un software sviluppato da esperti di Microsoft e dell'Università di Washington (UW). Trasforma gli zeri e gli uni dei dati digitali in sequenze di nucleotidi (A, T, C e G), che rappresentano i "mattoni" del DNA. Successivamente, il sistema utilizza attrezzature da laboratorio standard a basso costo per fornire i fluidi e i reagenti necessari al sintetizzatore, che assembla i frammenti di DNA prodotti e li colloca in un contenitore per la conservazione.
Quando il sistema deve estrarre informazioni, aggiunge altre sostanze chimiche per preparare correttamente il DNA e utilizza pompe microfluidiche per spingere i fluidi nelle parti del sistema che leggono le sequenze delle molecole di DNA e le riconvertono in informazioni comprensibili al computer. I ricercatori affermano che l'obiettivo del progetto non era dimostrare che il sistema potesse funzionare rapidamente o a basso costo, ma semplicemente mostrare che l'automazione è possibile.
Uno dei vantaggi più evidenti di un sistema automatizzato di immagazzinamento del DNA è che libera i ricercatori dalla necessità di affrontare compiti ripetitivi, consentendo loro di concentrarsi su sfide più complesse, senza perdere tempo a cercare flaconi di reagenti o ad aggiungere gocce di liquido nei tubi di prova.
«La presenza di un sistema automatizzato per svolgere il lavoro ripetitivo consente ai membri dei laboratori di concentrarsi su ricerche dirette, sviluppando nuove strategie per implementare innovazioni più rapidamente», ha affermato il ricercatore di Microsoft Bihlin Nguyen.
Il team del Laboratorio di Sistemi Informativi Molecolari (MISL) ha già dimostrato di poter immagazzinare fotografie di gatti, opere letterarie straordinarie, e registrazioni archiviare nel DNA, estraendo file senza errori. Finora, sono riusciti a conservare nel DNA 1 gigabyte di dati, stabilendo .
I ricercatori hanno anche sviluppato metodi per , come la ricerca e l'estrazione di immagini contenenti una mela o una bicicletta verde, utilizzando le molecole stesse, senza la necessità di riconvertire i file in formato digitale.
"Si può affermare con certezza che stiamo assistendo alla nascita di un nuovo tipo di sistema informatico, dove le molecole vengono utilizzate per immagazzinare dati e l'elettronica per il controllo e l'elaborazione. Questa combinazione apre prospettive molto interessanti per il futuro," ha dichiarato il professore della Allen School dell'Università di Washington. .
A differenza dei sistemi di calcolo basati su componenti al silicio, i sistemi di memorizzazione e calcolo basati sul DNA devono utilizzare fluidi per spostare le molecole. Ma i fluidi, per loro natura, sono diversi dagli elettroni e richiedono soluzioni tecniche completamente nuove.
Il team dell'Università di Washington, in collaborazione con Microsoft, sta sviluppando anche un sistema programmabile che automatizza gli esperimenti di laboratorio, utilizzando le proprietà dell'elettricità e dell'acqua per muovere le gocce su una rete di elettrodi. L'intero insieme di software e hardware, denominato , può mescolare, separare, riscaldare o raffreddare diversi liquidi e eseguire protocolli di laboratorio.
L'obiettivo è automatizzare gli esperimenti di laboratorio che attualmente vengono eseguiti manualmente o da robot costosi che operano con i liquidi, riducendo i costi.
I prossimi passi per il team MISL includono l'integrazione di un semplice sistema automatizzato end-to-end con tecnologie come PurpleDrop, oltre ad altre tecnologie che consentono la ricerca nelle molecole di DNA. I ricercatori hanno progettato il loro sistema automatizzato in modo modulare, affinché possa evolversi con l'emergere di nuove tecnologie per la sintesi, il sequenziamento e il trattamento del DNA.
«Uno dei vantaggi di questo sistema è che se vogliamo sostituire una delle parti con qualcosa di nuovo, più avanzato o più veloce, possiamo semplicemente collegare la nuova parte», ha dichiarato Nguyen. «Questo ci conferisce una grande flessibilità per il futuro».
Immagine in alto: i ricercatori di Microsoft e dell'Università di Washington hanno registrato e conteggiato la parola «hello», utilizzando il primo sistema di archiviazione dati completamente automatizzato nel DNA. Questo è un passo fondamentale per trasferire la nuova tecnologia dai laboratori ai centri dati commerciali.
Fonte: habr.com
