Badacze z Microsoft i Uniwersytetu Waszyngtońskiego zademonstrowali pierwszą w pełni zautomatyzowaną system do przechowywania danych w sztucznie stworzonym DNA z możliwością odczytu. To kluczowy krok w kierunku przeniesienia nowej technologii z laboratoriów badawczych do komercyjnych centrów danych.
Programiści potwierdzili koncepcję dzięki prostemu testowi: udało im się zakodować słowo „hello” w fragmentach syntetycznej cząsteczki DNA i przekształcić je z powrotem w dane cyfrowe, korzystając z w pełni zautomatyzowanego systemu end-to-end, który opisano w , opublikowanej 21 marca w Nature Scientific Reports.
W cząsteczkach DNA można przechowywać informacje cyfrowe o bardzo wysokiej gęstości, czyli w fizycznej przestrzeni, która jest o wiele mniejsza niż zajmują obecne centra danych. To jedno z obiecujących rozwiązań dla przechowywania ogromnych ilości danych, które świat generuje każdego dnia – od dokumentów biznesowych i filmików ze słodkimi zwierzętami po zdjęcia medyczne i obrazy z kosmosu.
Microsoft bada sposoby przezwyciężenia potencjalnej przepaści między i które chcemy przechowywać, a naszą zdolnością do ich składowania. Do takich rozwiązań należy opracowanie algorytmów i technologii obliczeń molekularnych dla . To pozwoliłoby zmieścić wszystkie informacje, przechowywane w dużym nowoczesnym centrum danych, w przestrzeni o rozmiarze zbliżonym do kilku kostek do gry.
„Naszym głównym celem jest uruchomienie systemu, który dla końcowego użytkownika będzie wyglądał prawie jak każdy inny system przechowywania w chmurze: dane są wysyłane do centrum danych i tam przechowywane, a następnie po prostu pojawiają się, gdy są potrzebne klientowi” – mówi starszy badacz Microsoft, Karin Strauss. – „Aby to osiągnąć, musieliśmy udowodnić, że ma to sens praktyczny z punktu widzenia automatyzacji.”
Informacje są przechowywane w syntetycznych cząsteczkach DNA stworzonych w laboratorium, a nie w DNA ludzi lub innych żywych istot i mogą być szyfrowane przed wysłaniem do systemu. Chociaż skomplikowane maszyny, takie jak syntezatory i sekwenatory, już wykonują kluczowe części tego procesu, wiele z etapów pośrednich wciąż wymagało ręcznej pracy w laboratorium badawczym. „To nie nadaje się do komercyjnego użytku”, powiedział Chris Takahashi, starszy pracownik naukowy Szkoły Informatyki i Inżynierii im. Paula Allena na Uniwersytecie USA.).
„Ludzie z pipetami nie mogą biegać po centrum danych, przy takim podejściu zbyt wielkie jest ryzyko błędu ludzkiego, jest to zbyt kosztowne i zajmuje zbyt wiele miejsca”, wyjaśnił Takahashi.
Aby ta metoda przechowywania danych miała sens z komercyjnego punktu widzenia, należy obniżyć koszty zarówno syntezy DNA – tworzenia podstawowych bloków budulcowych z znaczącymi sekwencjami, jak i procesu sekwencjonowania, który jest niezbędny do odczytania zapisanych informacji. Badacze twierdzą, że w tym kierunku następuje .
Według badaczy z Microsoft, automatyzacja jest kolejnym kluczowym elementem tej układanki, pozwalającym na organizację przechowywania danych na skalę komercyjną i uczynienie go bardziej dostępnym.
Pod pewnymi warunkami DNA może istnieć znacznie dłużej niż współczesne środki archiwizacji, które ulegają rozkładowi w ciągu dziesięcioleci. Niektóre DNA udało się zachować w dalekich od ideału warunkach przez dziesiątki tysięcy lat – w ciosaach mamutów i w kościach wczesnych ludzi. Oznacza to, że dane można przechowywać w ten sposób, dopóki istnieje ludzkość.
Zautomatyzowany system przechowywania danych DNA korzysta z oprogramowania opracowanego przez specjalistów z Microsoft i Uniwersytetu Waszyngtońskiego (UW). Przekształca bity i zera cyfrowych danych w sekwencje nukleotydów (A, T, C i G), które stanowią „klocki” DNA. Następnie system wykorzystuje tanie, w głównej mierze standardowe, wyposażenie laboratoryjne do dostarczania niezbędnych cieczy i reagentów do syntezatora, który zbiera wyprodukowane fragmenty DNA i umieszcza je w pojemniku do przechowywania.
Kiedy system potrzebuje wyodrębnić informacje, dodaje inne związki chemiczne do właściwego przygotowania DNA i wykorzystuje mikrofloydalne pompy do przepchnięcia cieczy do tych części systemu, które odczytują sekwencje cząsteczek DNA i przekształcają je z powrotem w informacje zrozumiałe dla komputera. Badacze twierdzą, że celem projektu nie było udowodnienie, że system może działać szybko lub tanio, lecz po prostu pokazanie, że automatyzacja jest możliwa.
Jedną z najbardziej oczywistych korzyści zautomatyzowanego systemu przechowywania DNA jest to, że uwalnia naukowców do rozwiązywania bardziej złożonych problemów, pozwalając im nie tracić czasu na szukanie butelek z reagentami czy monotonnie dodawanie kropel cieczy do probówek.
„Posiadanie zautomatyzowanego systemu do wykonywania powtarzalnych zadań pozwala pracownikom laboratoriów skoncentrować się na badaniach, opracowywaniu nowych strategii, aby wprowadzać innowacje szybciej” – powiedział badacz z Microsoftu, Bihlin Nguyen.
Zespół z Laboratorium Molekularnych Systemów Informacyjnych (MISL) już zademonstrował, że może przechowywać zdjęcia kotów, wspaniałe dzieła literackie, i archiwalne nagrania w DNA oraz wydobywać te pliki bez błędów. Do tej pory udało im się przechować w DNA 1 gigabajt danych, bijąc .
Badacze opracowali również metody , takich jak wyszukiwanie i wydobywanie jedynie obrazków, na których znajduje się jabłko lub zielony rower, wykorzystując do tego same cząsteczki, bez konwersji plików z powrotem do formatu cyfrowego.
„Można z pełnym przekonaniem powiedzieć, że jesteśmy świadkami narodzin nowego typu systemu komputerowego, w którym do przechowywania danych wykorzystuje się cząsteczki, a do zarządzania i przetwarzania – elektronikę. Taki związek otwiera bardzo interesujące możliwości na przyszłość,” powiedział profesor z Allen School Uniwersytetu Waszyngtońskiego. .
W przeciwieństwie do systemów obliczeniowych opartych na komponentach krzemowych, systemy przechowywania i obliczeń na bazie DNA muszą używać cieczy do przemieszczania cząsteczek. Jednak cieczy z natury różnią się od elektronów i wymagają całkowicie nowych rozwiązań technicznych.
Zespół Uniwersytetu Waszyngtońskiego we współpracy z Microsoftem opracowuje również programowalny system, który automatyzuje eksperymenty laboratoryjne, wykorzystując właściwości elektryczności i wody do przemieszczania kropli na siatce elektrod. Pełny zestaw oprogramowania i sprzętu, który otrzymał nazwę , może mieszać, rozdzielać, podgrzewać lub chłodzić różne płyny oraz wykonywać protokoły laboratoryjne.
Celem jest automatyzacja eksperymentów laboratoryjnych, które obecnie są przeprowadzane ręcznie lub przez kosztowne roboty pracujące z cieczą, oraz obniżenie kosztów.
Kolejne kroki zespołu MISL obejmują integrację prostego zautomatyzowanego systemu end-to-end z takimi technologiami jak Purple Drop, a także z innymi technologiami, które umożliwiają przeszukiwanie cząsteczek DNA. Naukowcy celowo zaprojektowali swój zautomatyzowany system w sposób modułowy, aby mógł ewoluować w miarę pojawiania się nowych technologii związanych z syntezą, sekwencjonowaniem i pracą z DNA.
„Jedną z zalet tego systemu jest to, że jeśli chcemy zastąpić którąkolwiek z części czymś nowym, bardziej zaawansowanym lub szybszym, możemy po prostu podłączyć nową część,” powiedział Nguyen. „To daje nam dużą elastyczność na przyszłość.”
Górny obrazek: badacze z Microsoftu i Uniwersytetu Waszyngtońskiego zapisali i odczytali słowo „po stronie”, używając pierwszego w pełni zautomatyzowanego systemu przechowywania danych w DNA. To kluczowy krok w przenoszeniu nowej technologii z laboratoriów do komercyjnych centrów danych.
Źródło: habr.com
