안녕하세요! 세계 최초의 DNA 분자 자동 데이터 저장

Microsoft와 워싱턴 대학의 연구원들은 인공적으로 생성된 DNA를 위한 최초의 완전 자동화되고 판독 가능한 데이터 저장 시스템을 시연했습니다. 이는 연구실에서 상업용 데이터 센터로 신기술을 이전하기 위한 핵심 단계입니다.

개발자들은 간단한 테스트를 통해 개념을 입증했습니다. 그들은 "hello"라는 단어를 합성 DNA 분자 조각으로 성공적으로 인코딩하고 완전히 자동화된 엔드투엔드 시스템을 사용하여 이를 디지털 데이터로 다시 변환했습니다. 기사, Nature Scientific Reports에 21월 XNUMX일 게재됨.

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DNA 분자는 매우 높은 밀도, 즉 현대 데이터 센터가 차지하는 것보다 훨씬 작은 물리적 공간에 디지털 정보를 저장할 수 있습니다. 비즈니스 기록과 귀여운 동물의 동영상부터 의료 사진, 우주 이미지까지 전 세계에서 매일 생성되는 방대한 양의 데이터를 저장하기 위한 유망한 솔루션 중 하나입니다.

Microsoft는 잠재적인 격차를 해소할 수 있는 방법을 모색하고 있습니다. 우리가 생산하는 데이터의 양 우리는 그것을 보존하고 싶어하며, 그것을 보존할 수 있는 우리의 능력도 있습니다. 이러한 방법에는 알고리즘 개발과 분자 컴퓨팅 기술이 포함됩니다. 인공 DNA에 데이터 인코딩. 이를 통해 현대의 ​​대규모 데이터 센터에 저장된 모든 정보를 대략 주사위 몇 개 크기의 공간에 맞출 수 있습니다.

“우리의 주요 목표는 최종 사용자에게 다른 클라우드 스토리지 시스템과 거의 동일하게 보이는 시스템을 출시하는 것입니다. 정보는 데이터 센터로 전송되어 거기에 저장되고 클라이언트가 필요할 때 간단히 나타납니다. "라고 Microsoft 수석 연구원인 Karin Strauss는 말합니다. “이를 위해서는 자동화 관점에서 실용적인 의미가 있음을 증명해야 했습니다.”

정보는 인간이나 다른 생물의 DNA가 아닌 실험실에서 생성된 합성 DNA 분자에 저장되며 시스템으로 전송되기 전에 암호화될 수 있습니다. 신디사이저 및 시퀀서와 같은 복잡한 기계가 이미 프로세스의 핵심 부분을 수행하고 있지만 지금까지 많은 중간 단계에는 연구실에서 수작업이 필요했습니다. USF 폴 앨런 컴퓨터 과학 및 공학부 선임 연구원인 크리스 다카하시(Chris Takahashi)는 "상업적 용도로는 적합하지 않습니다."라고 말했습니다.Paul G. Allen 컴퓨터 과학 및 공학부).

Takahashi는 "사람들이 피펫을 들고 데이터 센터를 돌아다니도록 할 수 없습니다. 사람이 실수할 가능성이 너무 높고 비용이 많이 들고 공간을 너무 많이 차지합니다"라고 설명했습니다.

이러한 데이터 저장 방법이 상업적으로 적합하려면 DNA 합성(의미 있는 서열의 기본 구성 요소 생성)과 저장된 정보를 읽는 데 필요한 서열 분석 프로세스 비용을 모두 줄여야 합니다. 연구자들은 이것이 방향이라고 말합니다. 급속 성장.

Microsoft 연구원에 따르면 자동화는 데이터 스토리지를 상업적 규모로 더욱 저렴하게 만드는 퍼즐의 또 다른 핵심 요소입니다.

특정 조건에서 DNA는 수십 년에 걸쳐 성능이 저하되는 현대 아카이브 저장 시스템보다 훨씬 오래 지속될 수 있습니다. 일부 DNA는 매머드 엄니와 초기 인류의 뼈 등 이상적이지 않은 조건에서 수만 년 동안 살아남았습니다. 이는 인류가 존재하는 한 데이터가 이런 방식으로 저장될 수 있다는 것을 의미합니다.

자동화된 DNA 저장 시스템은 Microsoft와 University of Washington(UW)에서 개발한 소프트웨어를 사용합니다. 이는 디지털 데이터의 XNUMX과 XNUMX을 DNA의 "구성 요소"인 뉴클레오티드 시퀀스(A, T, C 및 G)로 변환합니다. 그런 다음 시스템은 대부분 기성품인 저렴한 실험실 장비를 사용하여 필요한 유체와 시약을 합성기에 공급하고, 합성기는 합성된 DNA 단편을 수집하여 보관 용기에 넣습니다.

시스템이 정보를 추출해야 할 때 DNA를 적절하게 준비하기 위해 다른 화학 물질을 추가하고 미세 유체 펌프를 사용하여 DNA 분자의 서열을 읽는 시스템 부분에 유체를 밀어 넣어 컴퓨터가 이해할 수 있는 정보로 다시 변환합니다. 연구원들은 이 프로젝트의 목표가 시스템이 빠르고 저렴하게 작동할 수 있다는 것을 증명하는 것이 아니라 단순히 자동화가 가능하다는 것을 보여주는 것이라고 말했습니다.

자동화된 DNA 저장 시스템의 가장 분명한 이점 중 하나는 과학자들이 시약 병을 찾는 데 시간을 낭비하거나 시험관에 액체 방울을 추가하는 단조로움 없이 복잡한 문제를 해결할 수 있다는 것입니다.

Microsoft 연구원인 Bihlin Nguyen은 "반복적인 작업을 수행하기 위한 자동화된 시스템을 보유하면 연구소가 연구에 직접 집중하고 더 빠르게 혁신하기 위한 새로운 전략을 개발할 수 있습니다."라고 말했습니다.

분자 정보 시스템 연구실 팀 분자정보시스템 연구실 (MISL)은 이미 고양이 사진, 훌륭한 문학 작품, 비디오 보관된 DNA 기록을 찾아 오류 없이 이러한 파일을 추출할 수 있습니다. 현재까지 그들은 DNA에 1GB의 데이터를 저장할 수 있었습니다. 200MB의 이전 세계 기록.

연구자들은 또한 다음과 같은 방법을 개발했습니다. 의미 있는 계산을 수행예를 들어 파일을 다시 디지털 형식으로 변환하지 않고 분자 자체를 사용하여 사과나 녹색 자전거가 포함된 이미지만 찾아 검색합니다.

“우리는 데이터 저장에 분자를 사용하고 제어 및 처리에 전자 장치를 사용하는 새로운 유형의 컴퓨터 시스템의 탄생을 목격하고 있다고 해도 과언이 아닙니다. 이 조합은 미래에 매우 흥미로운 가능성을 열어줍니다.”라고 워싱턴 대학의 Allen School 교수는 말했습니다. 루이스 세세.

실리콘 기반 컴퓨팅 시스템과 달리 DNA 기반 저장 및 컴퓨팅 시스템은 분자를 이동하기 위해 유체를 사용해야 합니다. 그러나 액체는 본질적으로 전자와 다르며 완전히 새로운 기술 솔루션이 필요합니다.

워싱턴 대학 팀은 Microsoft와 협력하여 전기와 물의 특성을 사용하여 전극 그리드의 물방울을 이동함으로써 실험실 실험을 자동화하는 프로그래밍 가능한 시스템도 개발하고 있습니다. 소프트웨어 및 하드웨어의 완전한 세트라고 합니다. 퍼들과 퍼플드롭, 다양한 액체를 혼합, 분리, 가열 또는 냉각하고 실험실 프로토콜을 수행할 수 있습니다.

목표는 현재 수동으로 수행되거나 고가의 액체 취급 로봇으로 수행되는 실험실 실험을 자동화하고 비용을 줄이는 것입니다.

MISL 팀의 다음 단계에는 간단한 엔드투엔드 자동화 시스템을 Purple Drop과 같은 기술 및 DNA 분자 검색을 가능하게 하는 기타 기술과 통합하는 것이 포함됩니다. 연구자들은 DNA 합성, 서열 분석 및 조작을 위한 새로운 기술이 등장함에 따라 진화할 수 있도록 자동화 시스템을 의도적으로 모듈식으로 만들었습니다.

Nguyen은 "이 시스템의 장점 중 하나는 부품 중 하나를 새로운 것, 더 좋고 더 빠른 것으로 교체하려는 경우 새 부품을 연결하기만 하면 된다는 것입니다."라고 Nguyen은 말했습니다. "이는 우리에게 미래를 위한 더 많은 유연성을 제공합니다."

상단 이미지: Microsoft와 워싱턴 대학의 연구원들이 "라는 단어를 기록하고 계산했습니다.안녕하세요", 최초의 완전 자동화된 DNA 데이터 저장 시스템을 사용합니다. 이는 새로운 기술을 실험실에서 상업용 데이터 센터로 이동하는 핵심 단계입니다.

출처 : habr.com