שלום! אחסון הנתונים האוטומטי הראשון בעולם במולקולות DNA

חוקרים ממיקרוסופט ומאוניברסיטת וושינגטון הדגימו את מערכת אחסון הנתונים האוטומטית והניתנת לקריאה הראשונה עבור DNA שנוצר באופן מלאכותי. זהו צעד מרכזי לקראת מעבר טכנולוגיה חדשה ממעבדות מחקר למרכזי נתונים מסחריים.

המפתחים הוכיחו את הרעיון בבדיקה פשוטה: הם קידמו בהצלחה את המילה "שלום" לשברים של מולקולת DNA סינתטית והמירו אותה בחזרה לנתונים דיגיטליים באמצעות מערכת אוטומטית מלאה מקצה לקצה, המתוארת ב статье, פורסם ב-21 במרץ ב-Nature Scientific Reports.

מאמר זה נמצא באתר שלנו.

מולקולות DNA יכולות לאחסן מידע דיגיטלי בצפיפות גבוהה מאוד, כלומר במרחב הפיזי הקטן בסדרי גודל רבים מזה שתפוסים מרכזי נתונים מודרניים. זהו אחד הפתרונות המבטיחים לאחסון כמות הנתונים העצומה שהעולם מייצר מדי יום, החל מרישומים עסקיים וסרטונים של חיות חמודות ועד לצילומים רפואיים ותמונות מהחלל.

מיקרוסופט בוחנת דרכים לגשר על הפער הפוטנציאלי ביניהם כמות הנתונים שאנו מייצרים ואנחנו רוצים לשמר, ואת היכולת שלנו לשמר אותם. שיטות אלו כוללות פיתוח אלגוריתמים וטכנולוגיות מחשוב מולקולרי עבור קידוד נתונים ב-DNA מלאכותי. זה יאפשר לכל המידע המאוחסן במרכז נתונים מודרני גדול להתאים לחלל בגודל בערך של כמה קוביות.

"המטרה העיקרית שלנו היא להשיק מערכת שבעיני משתמש הקצה תיראה כמעט כמו כל מערכת אחסון ענן אחרת: מידע נשלח למרכז הנתונים ומאוחסן שם, ואז הוא פשוט מופיע כשהלקוח צריך אותו, " אומרת חוקרת האב של מיקרוסופט קארין שטראוס. "כדי לעשות זאת, היינו צריכים להוכיח שזה הגיוני מבחינה מעשית מנקודת מבט של אוטומציה."

המידע מאוחסן במולקולות DNA סינתטיות שנוצרות במעבדה, ולא ב-DNA של אנשים או יצורים חיים אחרים, וניתן להצפין אותו לפני שליחתו למערכת. למרות שמכונות מורכבות כמו סינתיסייזרים וסיקוונסרים כבר מבצעות חלקים מרכזיים בתהליך, רבים משלבי הביניים דרשו עד כה עבודת כפיים במעבדת מחקר. "זה לא מתאים לשימוש מסחרי", אמר כריס טאקאהאשי, עמית מחקר בכיר בבית הספר למדעי המחשב והנדסה של פול אלן ב-USF (בית הספר למדעי המחשב והנדסה של פול ג'י אלן).

"לא יכול להיות שאנשים מתרוצצים במרכז הנתונים עם פיפטות, זה נוטה מדי לטעות אנוש, זה יקר מדי וזה תופס יותר מדי מקום", הסביר טקהאשי.

כדי ששיטת אחסון הנתונים הזו תהיה הגיונית מבחינה מסחרית, יש להפחית את העלויות של סינתזת DNA - יצירת אבני הבניין הבסיסיות של רצפים משמעותיים - וגם תהליך הרצף הדרוש לקריאת המידע המאוחסן. חוקרים אומרים שזה הכיוון התפתחות מהירה.

אוטומציה היא חלק מרכזי נוסף בפאזל, מה שהופך את אחסון הנתונים בקנה מידה מסחרי ובמחיר סביר יותר, לפי חוקרי מיקרוסופט.

בתנאים מסוימים, DNA יכול להחזיק מעמד הרבה יותר ממערכות אחסון ארכיון מודרניות, שמתכלות במשך עשרות שנים. חלק מה-DNA הצליח לשרוד בתנאים פחות אידיאליים במשך עשרות אלפי שנים - בחטי ממותה ובעצמות של בני אדם מוקדמים. המשמעות היא שניתן לאחסן נתונים בצורה זו כל עוד האנושות קיימת.

מערכת האחסון האוטומטית של DNA משתמשת בתוכנה שפותחה על ידי מיקרוסופט ואוניברסיטת וושינגטון (UW). הוא ממיר את האחדים והאפסים של נתונים דיגיטליים לרצפים של נוקלאוטידים (A, T, C ו-G), שהם "אבני הבניין" של ה-DNA. לאחר מכן, המערכת משתמשת בציוד מעבדה זול, בעיקר מהמדף, כדי לספק את הנוזלים והריאגנטים הדרושים לסינתיסייזר, שאוסף את שברי ה-DNA המיוצרים ומניח אותם במיכל אחסון.

כאשר המערכת צריכה לחלץ מידע, היא מוסיפה כימיקלים אחרים כדי להכין כראוי את ה-DNA ומשתמשת במשאבות מיקרו-נוזליות כדי לדחוף נוזלים לחלקים של המערכת שקוראים את הרצפים של מולקולות ה-DNA וממירים אותם בחזרה למידע שמחשב יכול להבין. החוקרים אומרים שמטרת הפרויקט לא הייתה להוכיח שהמערכת יכולה לעבוד במהירות או בזול, אלא פשוט להראות שאוטומציה אפשרית.

אחד היתרונות הברורים ביותר של מערכת אחסון DNA אוטומטית הוא שהיא משחררת מדענים לפתור בעיות מורכבות מבלי לבזבז זמן בחיפוש אחר בקבוקי ריאגנטים או המונוטוניות של הוספת טיפות נוזל למבחנות.

"החזקת מערכת אוטומטית לביצוע עבודה חוזרת מאפשרת למעבדות להתמקד ישירות במחקר ולפתח אסטרטגיות חדשות לחדשנות מהירה יותר", אמר חוקר מיקרוסופט Bihlin Nguyen.

צוות מהמעבדה למערכות מידע מולקולריות מעבדה למערכות מידע מולקולריות (MISL) כבר הוכיחה שהיא יכולה לאחסן תצלומים של חתולים, יצירות ספרות נפלאות, וידאו וארכיון רשומות DNA וחילוץ קבצים אלה ללא שגיאות. עד היום, הם הצליחו לאחסן 1 ג'יגה-בייט של נתונים ב-DNA, כשהם דופקים שיא עולם קודם של 200 מגה.

חוקרים פיתחו גם שיטות עבור לבצע חישובים משמעותייםכמו חיפוש ושליפה רק של תמונות המכילות תפוח או אופניים ירוקים באמצעות המולקולות עצמן, מבלי להמיר את הקבצים בחזרה לפורמט דיגיטלי.

"אפשר לומר בבטחה שאנו עדים להולדת סוג חדש של מערכת מחשוב, שבה מולקולות משמשות לאחסון נתונים ואלקטרוניקה לשליטה ועיבוד. השילוב הזה פותח אפשרויות מעניינות מאוד לעתיד", אמר פרופסור בית הספר אלן באוניברסיטת וושינגטון. לואי ססה.

שלא כמו מערכות מחשוב מבוססות סיליקון, מערכות אחסון ומחשוב מבוססות DNA חייבות להשתמש בנוזלים כדי להזיז מולקולות. אבל נוזלים שונים באופיים מאלקטרונים ודורשים פתרונות טכניים חדשים לחלוטין.

צוות אוניברסיטת וושינגטון, בשיתוף עם מיקרוסופט, מפתח גם מערכת ניתנת לתכנות הממכנת ניסויי מעבדה לאוטומטיים על ידי שימוש במאפיינים של חשמל ומים כדי להעביר טיפות על רשת של אלקטרודות. סט שלם של תוכנה וחומרה בשם שלולית וסגול דרופ, יכול לערבב, להפריד, לחמם או לקרר נוזלים שונים ולבצע פרוטוקולי מעבדה.

המטרה היא לבצע אוטומציה של ניסויי מעבדה המבוצעים כיום באופן ידני או על ידי רובוטים יקרים לטיפול בנוזל ולהפחית עלויות.

השלבים הבאים של צוות MISL כוללים שילוב של מערכת אוטומטית פשוטה מקצה לקצה עם טכנולוגיות כגון Purple Drop, כמו גם טכנולוגיות אחרות המאפשרות חיפוש מולקולות DNA. החוקרים הפכו בכוונה את המערכת האוטומטית שלהם למודולרית, כך שהיא תוכל להתפתח כאשר הופיעו טכנולוגיות חדשות לסינתזה, רצף ומניפולציה של DNA.

"אחד היתרונות של המערכת הזו הוא שאם אנחנו רוצים להחליף את אחד החלקים במשהו חדש, טוב יותר או מהיר יותר, אנחנו יכולים פשוט לחבר את החלק החדש", אמר נגוין. "זה נותן לנו יותר גמישות לעתיד."

תמונה עליונה: חוקרים ממיקרוסופט ומאוניברסיטת וושינגטון תיעדו וספרו את המילה "שלום", באמצעות מערכת אחסון נתוני DNA אוטומטית לחלוטין. זהו שלב מרכזי בהעברת טכנולוגיה חדשה ממעבדות למרכזי נתונים מסחריים.

מקור: www.habr.com