Forskere fra Microsoft og University of Washington har demonstrert det første helautomatiske, lesbare datalagringssystemet for kunstig opprettet DNA. Dette er et viktig skritt mot å flytte ny teknologi fra forskningslaboratorier til kommersielle datasentre.
Utviklerne beviste konseptet med en enkel test: de kodet ordet "hallo" vellykket inn i fragmenter av et syntetisk DNA-molekyl og konverterte det tilbake til digitale data ved hjelp av et helautomatisert ende-til-ende-system, som er beskrevet i , publisert 21. mars i Nature Scientific Reports.
DNA-molekyler kan lagre digital informasjon med svært høye tettheter, det vil si i fysisk rom som er mange størrelsesordener mindre enn det som okkuperes av moderne datasentre. Det er en av de lovende løsningene for å lagre den enorme datamengden verden genererer hver dag, fra forretningsposter og videoer av søte dyr til medisinske fotografier og bilder fra verdensrommet.
Microsoft utforsker måter å bygge bro over det potensielle gapet mellom og vi ønsker å bevare, og vår evne til å bevare dem. Disse metodene inkluderer utvikling av algoritmer og molekylære databehandlingsteknologier for . Dette vil tillate all informasjon som er lagret i et stort moderne datasenter å passe inn i et rom som er omtrent på størrelse med flere terninger.
«Vårt hovedmål er å lansere et system som, for sluttbrukeren, vil se nesten ut som et hvilket som helst annet skylagringssystem: informasjon sendes til datasenteret og lagres der, og så dukker det opp når klienten trenger det, ” sier Sr. Microsoft-forsker Karin Strauss. "For å gjøre dette, trengte vi å bevise at det var praktisk fornuftig fra et automatiseringsperspektiv."
Informasjonen lagres i syntetiske DNA-molekyler laget i et laboratorium, snarere enn i DNA til mennesker eller andre levende ting, og kan krypteres før de sendes til systemet. Selv om komplekse maskiner som synthesizere og sequencere allerede utfører sentrale deler av prosessen, har mange av de mellomliggende trinnene til nå krevd manuelt arbeid i et forskningslaboratorium. "Den er ikke egnet for kommersiell bruk," sa Chris Takahashi, seniorforsker ved Paul Allen School of Computer Science and Engineering ved USF ().
"Du kan ikke ha folk som løper rundt i datasenteret med pipetter, det er for utsatt for menneskelige feil, det er for dyrt og det tar for mye plass," forklarte Takahashi.
For at denne datalagringsmetoden skal gi mening kommersielt, må kostnadene for både DNA-syntese – å skape de grunnleggende byggesteinene til meningsfulle sekvenser – og sekvenseringsprosessen som trengs for å lese den lagrede informasjonen reduseres. Forskere sier dette er retningen .
Automatisering er en annen viktig brikke i puslespillet, som gjør datalagring i kommersiell skala og rimeligere, ifølge Microsoft-forskere.
Under visse forhold kan DNA vare mye lenger enn moderne arkivlagringssystemer, som brytes ned over flere tiår. Noe DNA har klart å overleve under mindre enn ideelle forhold i titusenvis av år – i mammutstønner og i beinene til tidlige mennesker. Dette betyr at data kan lagres på denne måten så lenge menneskeheten eksisterer.
Det automatiserte DNA-lagringssystemet bruker programvare utviklet av Microsoft og University of Washington (UW). Den konverterer enere og nuller av digitale data til sekvenser av nukleotider (A, T, C og G), som er "byggesteinene" til DNA. Systemet bruker deretter rimelig, for det meste hyllevare, laboratorieutstyr for å levere de nødvendige væskene og reagensene til en synthesizer, som samler de fremstilte DNA-fragmentene og plasserer dem i en lagringsbeholder.
Når systemet trenger å trekke ut informasjon, tilsetter det andre kjemikalier for å forberede DNA på riktig måte og bruker mikrofluidpumper til å skyve væsker inn i deler av systemet som leser sekvensene til DNA-molekyler og konverterer dem tilbake til informasjon som en datamaskin kan forstå. Forskerne sier at målet med prosjektet ikke var å bevise at systemet kunne fungere raskt eller billig, men ganske enkelt å vise at automatisering var mulig.
En av de mest åpenbare fordelene med et automatisert DNA-lagringssystem er at det frigjør forskere til å løse komplekse problemer uten å kaste bort tid på å lete etter flasker med reagenser eller monotonien ved å tilsette dråper væske i reagensrør.
"Å ha et automatisert system for å utføre repeterende arbeid gjør det mulig for laboratorier å fokusere direkte på forskning og utvikle nye strategier for å innovere raskere," sa Microsoft-forsker Bihlin Nguyen.
Team fra Laboratory of Molecular Information Systems (MISL) har allerede vist at den kan lagre fotografier av katter, fantastiske litteraturverk, og arkiverte DNA-poster og pakke ut disse filene uten feil. Til dags dato har de vært i stand til å lagre 1 gigabyte med data i DNA, slående .
Forskere har også utviklet metoder for som å finne og hente kun bilder som inneholder et eple eller en grønn sykkel ved å bruke selve molekylene, uten å konvertere filene tilbake til digitalt format.
«Det er trygt å si at vi er vitne til fødselen av en ny type datasystem, der molekyler brukes til datalagring og elektronikk for kontroll og prosessering. Denne kombinasjonen åpner for svært interessante muligheter for fremtiden, sa Allen School-professoren ved University of Washington. .
I motsetning til silisiumbaserte datasystemer, må DNA-baserte lagrings- og datasystemer bruke væsker for å flytte molekyler. Men væsker er annerledes enn elektroner og krever helt nye tekniske løsninger.
Teamet fra University of Washington, i samarbeid med Microsoft, utvikler også et programmerbart system som automatiserer laboratorieeksperimenter ved å bruke egenskapene til elektrisitet og vann til å flytte dråper på et rutenett av elektroder. Et komplett sett med programvare og maskinvare kalt , kan blande, separere, varme eller avkjøle ulike væsker og utføre laboratorieprotokoller.
Målet er å automatisere laboratorieeksperimenter som i dag utføres manuelt eller av dyre væskehåndteringsroboter og redusere kostnadene.
De neste trinnene for MISL-teamet inkluderer integrering av et enkelt, ende-til-ende automatisert system med teknologier som Purple Drop, samt andre teknologier som muliggjør søk etter DNA-molekyler. Forskerne gjorde bevisst det automatiserte systemet sitt modulært slik at det kunne utvikle seg etter hvert som nye teknologier for DNA-syntese, sekvensering og manipulering dukket opp.
"En av fordelene med dette systemet er at hvis vi ønsker å erstatte en av delene med noe nytt, bedre eller raskere, kan vi bare plugge inn den nye delen," sa Nguyen. "Dette gir oss mer fleksibilitet for fremtiden."
Toppbilde: Forskere fra Microsoft og University of Washington registrerte og telte ordet "Hallo", ved å bruke det første helautomatiserte DNA-datalagringssystemet. Dette er et nøkkelsteg i å flytte ny teknologi fra laboratorier til kommersielle datasentre.
Kilde: www.habr.com