I ricercatori di Microsoft e dell'Università di Washington hanno dimostrato il primo sistema di archiviazione dati completamente automatizzato in DNA artificiale con capacità di lettura. Questo rappresenta un passo chiave verso il trasferimento di una nuova tecnologia dai laboratori di ricerca ai centri di elaborazione dati commerciali.
Gli sviluppatori hanno confermato il concetto con un test semplice: hanno codificato con successo la parola «hello» in frammenti di molecole di DNA sintetico e l'hanno trasformata nuovamente in dati digitali, utilizzando un sistema end-to-end completamente automatizzato, descritto in , pubblicato il 21 marzo su Nature Scientific Reports.
Nelle molecole di DNA è possibile memorizzare informazioni digitali con una densità molto elevata, ovvero in uno spazio fisico che è molte ordini di grandezza più piccolo rispetto a quello occupato dai moderni centri di elaborazione dati. Questa è una delle soluzioni promettenti per archiviare la grande quantità di dati che il mondo genera ogni giorno, dai registri commerciali e video di animali carini a immagini mediche e fotografie dallo spazio.
Microsoft sta esplorando modi per superare il potenziale divario tra e quella che vogliamo conservare, e la nostra capacità di farlo. Tra questi ci sono lo sviluppo di algoritmi e tecnologie di computer molecolari per . Questo permetterebbe di contenere tutte le informazioni attualmente conserve in un grande centro di elaborazione dati moderno in uno spazio approssimativamente uguale a quello di alcuni dadi da gioco.
«Il nostro obiettivo principale è lanciare un sistema che per l'utente finale sembri quasi identico a qualsiasi altro sistema di archiviazione cloud: le informazioni vengono inviate al centro di elaborazione dati e ivi conservate, e poi semplicemente appaiono quando necessarie dal cliente», dice Karin Strauss, ricercatrice senior di Microsoft. «Per farlo, dovevamo dimostrare che ha senso pratico dal punto di vista dell'automazione».
Le informazioni sono conservate in molecole di DNA sintetico, create in laboratorio, e non nel DNA di persone o altri esseri viventi, e possono essere crittografate prima di essere inviate al sistema. Sebbene macchine complesse come sintetizzatori e sequenziatori stiano già svolgendo ruoli chiave nel processo, molte delle fasi intermedie richiedono ancora lavoro manuale in laboratorio di ricerca. "Questo non è adatto per uso commerciale", ha detto Chris Takahashi, ricercatore senior della Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering dell'Università degli Stati Uniti ().
"Non possono correre persone con pipette nei data center, con questo approccio c'è una troppo elevata probabilità di errore umano, è troppo costoso e richiede troppo spazio", ha spiegato Takahashi.
Affinché questo metodo di archiviazione dei dati abbia senso in termini commerciali, è necessario ridurre i costi sia per la sintesi del DNA - creando blocchi costitutivi fondamentali con sequenze significative - sia per il processo di sequenziamento necessario per leggere le informazioni salvate. I ricercatori affermano che in questa direzione ci sono .
Secondo i ricercatori di Microsoft, l'automazione è un'altra parte chiave di questo puzzle, permettendo di organizzare la conservazione dei dati su scala commerciale e di renderla più accessibile.
Sotto determinate condizioni, il DNA può esistere molto più a lungo rispetto ai moderni mezzi di archiviazione, che si degradano nel corso dei decenni. Alcuni DNA sono riusciti a preservarsi in condizioni tutt'altro che ideali per decine di migliaia di anni - in zanne di mammut e nelle ossa dei primi esseri umani. Ciò significa che i dati possono essere conservati in questo modo finché esiste l'umanità.
Il sistema automatizzato di archiviazione dei dati DNA utilizza un software sviluppato da esperti di Microsoft e dell'Università di Washington (UW). Esso converte 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 di laboratorio economiche, principalmente standard, per fornire i liquidi e i reagenti necessari al sintetizzatore, che raccoglie i frammenti di DNA prodotti e li colloca in un contenitore per l'archiviazione.
Quando il sistema deve estrarre informazioni, aggiunge altre sostanze chimiche per preparare correttamente il DNA e utilizza pompe microfluidiche per spingere i liquidi nelle parti del sistema che leggono le sequenze delle molecole di DNA e le convertono nuovamente in informazioni comprensibili per il computer. I ricercatori affermano che l'obiettivo del progetto non era dimostrare che il sistema possa lavorare in modo veloce o economico, ma semplicemente mostrare che l'automazione è possibile.
Uno dei vantaggi più evidenti del sistema automatizzato di archiviazione del DNA è che libera gli scienziati per affrontare compiti complessi, evitando di dedicare tempo alla ricerca di bottiglie di reagenti o all'aggiunta monotona di gocce di liquido nei provettti.
"Avere un sistema automatizzato per svolgere compiti ripetitivi consente al personale di laboratorio di dedicarsi direttamente alla ricerca, sviluppando nuove strategie per implementare le innovazioni più rapidamente", ha detto il ricercatore di Microsoft Bihlin Nguyen.
Il team del Laboratorio di Sistemi Informativi Molecolari (MISL) ha già dimostrato di poter conservare fotografie di gatti, opere letterarie straordinarie, e registrazioni storiche nel DNA ed estrarre questi file senza errori. Fino ad oggi, sono riusciti a conservare nel DNA 1 gigabyte di dati, battendo .
I ricercatori hanno anche sviluppato metodi per , come trovare e estrarre solo immagini che mostrano una mela o una bicicletta verde, utilizzando per questo le stesse molecole, senza convertire nuovamente i file in formato digitale.
«Si può affermare 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 dichiarato un professore della Allen School dell'Università di Washington. .
A differenza dei sistemi informatici basati su componenti in silicio, i sistemi di archiviazione e calcolo basati sul DNA devono utilizzare fluidi per spostare le molecole. Tuttavia, 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 anche sviluppando un sistema programmabile che automatizza gli esperimenti di laboratorio, utilizzando le proprietà dell'elettricità e dell'acqua per spostare le gocce su una griglia di elettrodi. L'insieme completo di software e hardware, denominato , può mescolare, separare, riscaldare o raffreddare diversi fluidi e eseguire protocolli di laboratorio.
L'obiettivo è automatizzare gli esperimenti di laboratorio che attualmente vengono eseguiti manualmente o con robot costosi che lavorano con fluidi, 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 di eseguire ricerche su molecole di DNA. I ricercatori hanno progettato il loro sistema automatizzato in modo modulare, affinché possa svilupparsi man mano che emergono nuove tecnologie per la sintesi, il sequenziamento e l'analisi 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 il nuovo componente», ha affermato Nguyen. «Questo ci dà una maggiore flessibilità per il futuro».
Immagine superiore: ricercatori di Microsoft e dell'Università di Washington hanno registrato e letto la parola «hello», utilizzando il primo sistema di archiviazione dati completamente automatizzato basato su DNA. Questo è un passo cruciale per portare una nuova tecnologia dai laboratori ai centri di elaborazione dati commerciali.
Fonte: habr.com
