I ricercatori di Microsoft e dell'Università di Washington hanno dimostrato il primo sistema di archiviazione dati completamente automatizzato e leggibile per il DNA creato artificialmente. Si tratta di un passo fondamentale verso lo spostamento della nuova tecnologia dai laboratori di ricerca ai data center commerciali.
Gli sviluppatori hanno dimostrato il concetto con un semplice test: hanno codificato con successo la parola "ciao" in frammenti di una molecola di DNA sintetico e l'hanno riconvertita in dati digitali utilizzando un sistema end-to-end completamente automatizzato, descritto in , pubblicato il 21 marzo su Nature Scientific Reports.
Le molecole di DNA possono immagazzinare informazioni digitali a densità molto elevate, cioè in uno spazio fisico che è molti ordini di grandezza più piccolo di quello occupato dai moderni data center. È una delle soluzioni più promettenti per archiviare l'enorme quantità di dati che il mondo genera ogni giorno, dai documenti aziendali e dai video di simpatici animali alle fotografie mediche e alle immagini dallo spazio.
Microsoft sta esplorando modi per colmare il potenziale divario tra e vogliamo preservarli, e la nostra capacità di preservarli. Questi metodi includono lo sviluppo di algoritmi e tecnologie di calcolo molecolare per . Ciò consentirebbe a tutte le informazioni archiviate in un grande data center moderno di adattarsi a uno spazio grande all’incirca quanto diversi dadi.
“Il nostro obiettivo principale è mettere in produzione un sistema che, per l’utente finale, sembri quasi uguale a qualsiasi altro sistema di cloud storage: le informazioni vengono inviate al data center e lì archiviate, per poi apparire semplicemente quando il cliente ne ha bisogno ”, afferma Karin Strauss, ricercatrice senior di Microsoft. “Per fare ciò, dovevamo dimostrare che avesse senso pratico dal punto di vista dell’automazione”.
Le informazioni sono archiviate in molecole di DNA sintetico create in laboratorio, anziché nel DNA di esseri umani o altri esseri viventi, e possono essere crittografate prima di essere inviate al sistema. Sebbene macchine complesse come sintetizzatori e sequenziatori svolgano già parti fondamentali del processo, molte delle fasi intermedie hanno finora richiesto il lavoro manuale in un laboratorio di ricerca. "Non è adatto per l'uso commerciale", ha detto Chris Takahashi, ricercatore senior presso la Paul Allen School of Computer Science and Engineering dell'USF ().
"Non è possibile avere persone che girano per il data center con le pipette, perché è troppo soggetto a errori umani, è troppo costoso e occupa troppo spazio", ha spiegato Takahashi.
Affinché questo metodo di archiviazione dei dati abbia senso dal punto di vista commerciale, è necessario ridurre i costi sia della sintesi del DNA – creando gli elementi fondamentali di sequenze significative – sia del processo di sequenziamento necessario per leggere le informazioni archiviate. I ricercatori dicono che questa è la direzione .
Secondo i ricercatori Microsoft, l’automazione è un altro pezzo fondamentale del puzzle, poiché rende l’archiviazione dei dati su scala commerciale e più conveniente.
In determinate condizioni, il DNA può durare molto più a lungo dei moderni sistemi di archiviazione, che si degradano nel corso di decenni. Parte del DNA è riuscito a sopravvivere in condizioni tutt’altro che ideali per decine di migliaia di anni: nelle zanne dei 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 automatizzato di archiviazione del DNA utilizza un software sviluppato da Microsoft e dall'Università di Washington (UW). Converte gli uno e gli zeri dei dati digitali in sequenze di nucleotidi (A, T, C e G), che sono i "mattoni" del DNA. Il sistema utilizza quindi apparecchiature di laboratorio poco costose, per lo più disponibili sul mercato, per fornire i fluidi e i reagenti necessari a un sintetizzatore, che raccoglie i frammenti di DNA fabbricati e li colloca in un contenitore di conservazione.
Quando il sistema deve estrarre informazioni, aggiunge altre sostanze chimiche per preparare adeguatamente il DNA e utilizza pompe microfluidiche per spingere i fluidi in parti del sistema che leggono le sequenze delle molecole di DNA e le riconvertono in informazioni comprensibili a un computer. I ricercatori affermano che l’obiettivo del progetto non era dimostrare che il sistema potesse funzionare in modo rapido o economico, ma semplicemente dimostrare che l’automazione era possibile.
Uno dei vantaggi più evidenti di un sistema automatizzato di conservazione del DNA è che dà agli scienziati la libertà di risolvere problemi complessi senza perdere tempo a cercare flaconi di reagenti o la monotonia di aggiungere gocce di liquido nelle provette.
"Avere un sistema automatizzato per svolgere lavori ripetitivi consente ai laboratori di concentrarsi direttamente sulla ricerca e sviluppare nuove strategie per innovare più rapidamente", ha affermato il ricercatore Microsoft Bihlin Nguyen.
Team del Laboratorio di Sistemi Informativi Molecolari (MISL) ha già dimostrato di poter conservare fotografie di gatti, meravigliose opere letterarie, e record di DNA archiviati ed estrarre questi file senza errori. Ad oggi, sono stati in grado di memorizzare 1 gigabyte di dati nel DNA, battendo .
I ricercatori hanno anche sviluppato metodi per come trovare e recuperare solo immagini che contengono una mela o una bicicletta verde utilizzando le molecole stesse, senza riconvertire i file in formato digitale.
“Si può dire con certezza che stiamo assistendo alla nascita di un nuovo tipo di sistema informatico, in cui le molecole vengono utilizzate per l’archiviazione dei dati e l’elettronica per il controllo e l’elaborazione. Questa combinazione apre possibilità molto interessanti per il futuro”, ha affermato il professore della Allen School dell’Università di Washington. .
A differenza dei sistemi informatici basati sul silicio, i sistemi informatici e di archiviazione basati sul DNA devono utilizzare fluidi per spostare le molecole. Ma i liquidi sono di natura diversa dagli elettroni e richiedono soluzioni tecniche completamente nuove.
Il team dell'Università di Washington, in collaborazione con Microsoft, sta inoltre sviluppando un sistema programmabile che automatizza gli esperimenti di laboratorio utilizzando le proprietà dell'elettricità e dell'acqua per spostare le goccioline su una griglia di elettrodi. Un set completo di software e hardware chiamato , può miscelare, separare, riscaldare o raffreddare vari liquidi ed eseguire protocolli di laboratorio.
L’obiettivo è automatizzare gli esperimenti di laboratorio che attualmente vengono eseguiti manualmente o da costosi robot per la gestione dei liquidi e ridurre i costi.
I prossimi passi per il team MISL includono l’integrazione di un semplice sistema automatizzato end-to-end con tecnologie come Purple Drop, così come altre tecnologie che consentono la ricerca di molecole di DNA. I ricercatori hanno deliberatamente reso modulare il loro sistema automatizzato in modo che potesse evolversi man mano che emergevano nuove tecnologie per la sintesi, il sequenziamento e la manipolazione del DNA.
"Uno dei vantaggi di questo sistema è che se vogliamo sostituire una delle parti con qualcosa di nuovo, migliore o più veloce, possiamo semplicemente collegare la nuova parte", ha affermato Nguyen. “Questo ci dà maggiore flessibilità per il futuro.”
Immagine in alto: ricercatori di Microsoft e dell'Università di Washington hanno registrato e contato la parola "Ciao", utilizzando il primo sistema di archiviazione dei dati del DNA completamente automatizzato. Si tratta di un passo fondamentale nel trasferimento della nuova tecnologia dai laboratori ai data center commerciali.
Fonte: habr.com