Naukowcy z Microsoftu i Uniwersytetu Waszyngtońskiego zademonstrowali pierwszy w pełni zautomatyzowany, czytelny system przechowywania danych dla sztucznie wytworzonego DNA. Jest to kluczowy krok w kierunku przeniesienia nowej technologii z laboratoriów badawczych do komercyjnych centrów danych.
Twórcy udowodnili tę koncepcję prostym testem: pomyślnie zakodowali słowo „cześć” we fragmentach syntetycznej cząsteczki DNA i przekształcili je z powrotem w dane cyfrowe za pomocą w pełni zautomatyzowanego, kompleksowego systemu, który opisano w , opublikowano 21 marca w Nature Scientific Reports.
Cząsteczki DNA mogą przechowywać informacje cyfrowe z bardzo dużą gęstością, to znaczy w przestrzeni fizycznej o wiele rzędów wielkości mniejszej niż ta zajmowana przez nowoczesne centra danych. Jest to jedno z obiecujących rozwiązań do przechowywania ogromnej ilości danych, które świat generuje każdego dnia, od dokumentacji biznesowej i filmów przedstawiających urocze zwierzęta po zdjęcia medyczne i obrazy z kosmosu.
Firma Microsoft bada sposoby wypełnienia potencjalnej luki pomiędzy i chcemy je zachować, oraz nasza zdolność do ich zachowania. Metody te obejmują rozwój algorytmów i technologii obliczeń molekularnych . Dzięki temu wszystkie informacje przechowywane w dużym, nowoczesnym centrum danych zmieściłyby się na przestrzeni mniej więcej wielkości kilku kostek do gry.
„Naszym głównym celem jest uruchomienie systemu, który dla użytkownika końcowego będzie wyglądał niemal tak samo, jak każdy inny system przechowywania w chmurze: informacje są wysyłane do centrum danych i tam przechowywane, a następnie po prostu pojawiają się, gdy klient ich potrzebuje, ” – mówi starsza badaczka Microsoftu, Karin Strauss. „Aby to zrobić, musieliśmy udowodnić, że ma to praktyczny sens z punktu widzenia automatyzacji”.
Informacje są przechowywane w syntetycznych cząsteczkach DNA utworzonych w laboratorium, a nie w DNA ludzi lub innych żywych istot, i mogą zostać zaszyfrowane przed wysłaniem do systemu. Chociaż złożone maszyny, takie jak syntezatory i sekwencery, już wykonują kluczowe części procesu, wiele etapów pośrednich wymagało dotychczas pracy ręcznej w laboratorium badawczym. „Nie nadaje się do użytku komercyjnego” – powiedział Chris Takahashi, starszy pracownik naukowy w Szkole Informatyki i Inżynierii im. Paula Allena na USF ().
„Nie można pozwolić, aby ludzie biegali po centrum danych z pipetami, jest to zbyt podatne na błędy ludzkie, zbyt drogie i zajmuje zbyt dużo miejsca” – wyjaśnił Takahashi.
Aby ta metoda przechowywania danych miała sens komercyjny, należy obniżyć koszty zarówno syntezy DNA – tworzenia podstawowych elementów składowych znaczących sekwencji – jak i procesu sekwencjonowania potrzebnego do odczytania przechowywanych informacji. Naukowcy twierdzą, że to jest kierunek .
Zdaniem badaczy firmy Microsoft, automatyzacja to kolejny kluczowy element układanki, dzięki któremu przechowywanie danych na skalę komercyjną jest tańsze.
W pewnych warunkach DNA może przetrwać znacznie dłużej niż nowoczesne systemy przechowywania archiwalnego, które ulegają degradacji przez dziesięciolecia. Część DNA zdołała przetrwać w warunkach odbiegających od idealnych przez dziesiątki tysięcy lat – w kłach mamutów i kościach wczesnych ludzi. Oznacza to, że dane mogą być przechowywane w ten sposób tak długo, jak istnieje ludzkość.
Zautomatyzowany system przechowywania DNA wykorzystuje oprogramowanie opracowane przez firmę Microsoft i Uniwersytet Waszyngtoński (UW). Konwertuje jedynki i zera danych cyfrowych na sekwencje nukleotydów (A, T, C i G), które są „elementami budulcowymi” DNA. Następnie system wykorzystuje niedrogi, przeważnie gotowy sprzęt laboratoryjny do dostarczania niezbędnych płynów i odczynników do syntezatora, który zbiera wyprodukowane fragmenty DNA i umieszcza je w pojemniku do przechowywania.
Kiedy system musi wyodrębnić informacje, dodaje inne substancje chemiczne, aby odpowiednio przygotować DNA i wykorzystuje pompy mikroprzepływowe do wtłaczania płynów do części systemu, które odczytują sekwencje cząsteczek DNA i przekształcają je z powrotem w informację zrozumiałą dla komputera. Naukowcy twierdzą, że celem projektu nie było udowodnienie, że system może działać szybko i tanio, ale po prostu pokazanie, że możliwa jest automatyzacja.
Jedną z najbardziej oczywistych korzyści zautomatyzowanego systemu przechowywania DNA jest to, że pozwala naukowcom na rozwiązywanie złożonych problemów bez marnowania czasu na szukanie butelek z odczynnikami lub monotonnego dodawania kropli płynu do probówek.
„Posiadanie zautomatyzowanego systemu do wykonywania powtarzalnych prac umożliwia laboratoriom skupienie się bezpośrednio na badaniach i opracowywaniu nowych strategii umożliwiających szybsze wprowadzanie innowacji” – powiedział Bihlin Nguyen, badacz firmy Microsoft.
Zespół z Laboratorium Molekularnych Systemów Informacyjnych (MISL) już pokazał, że potrafi przechowywać zdjęcia kotów, wspaniałe dzieła literackie, i zarchiwizowane zapisy DNA i wyodrębnij te pliki bez błędów. Do tej pory udało im się zapisać w DNA 1 gigabajt danych, co jest pobiciem .
Naukowcy opracowali także metody takie jak wyszukiwanie i pobieranie wyłącznie obrazów zawierających jabłko lub zielony rower przy użyciu samych cząsteczek, bez konwertowania plików z powrotem do formatu cyfrowego.
„Można śmiało powiedzieć, że jesteśmy świadkami narodzin nowego typu systemu komputerowego, w którym cząsteczki służą do przechowywania danych, a elektronika do kontroli i przetwarzania. To połączenie otwiera bardzo interesujące możliwości na przyszłość” – powiedział profesor Allen School na Uniwersytecie Waszyngtońskim. .
W przeciwieństwie do systemów komputerowych opartych na krzemie, systemy przechowywania i przetwarzania danych oparte na DNA muszą wykorzystywać płyny do przemieszczania cząsteczek. Jednak ciecze mają inny charakter niż elektrony i wymagają zupełnie nowych rozwiązań technicznych.
Zespół Uniwersytetu Waszyngtońskiego we współpracy z firmą Microsoft opracowuje także programowalny system, który automatyzuje eksperymenty laboratoryjne, wykorzystując właściwości energii elektrycznej i wody do przemieszczania kropelek po siatce elektrod. Kompletny zestaw oprogramowania i sprzętu tzw , potrafi mieszać, rozdzielać, podgrzewać lub chłodzić różne ciecze oraz wykonywać protokoły laboratoryjne.
Celem jest automatyzacja eksperymentów laboratoryjnych, które obecnie są przeprowadzane ręcznie lub za pomocą drogich robotów do transportu cieczy, oraz redukcja kosztów.
Kolejne kroki zespołu MISL obejmują integrację prostego, kompleksowego, zautomatyzowanego systemu z technologiami takimi jak Purple Drop, a także innymi technologiami umożliwiającymi wyszukiwanie cząsteczek DNA. Naukowcy celowo stworzyli modułowy swój zautomatyzowany system, aby mógł ewoluować wraz z pojawieniem się nowych technologii syntezy, sekwencjonowania i manipulacji DNA.
„Jedną z zalet tego systemu jest to, że jeśli chcemy wymienić jedną część na coś nowego, lepszego lub szybszego, możemy po prostu podłączyć nową część” – powiedział Nguyen. „To daje nam większą elastyczność na przyszłość”.
Zdjęcie u góry: Naukowcy z Microsoft i Uniwersytetu Waszyngtońskiego zarejestrowali i policzyli słowo „cześć”, wykorzystując pierwszy w pełni zautomatyzowany system przechowywania danych DNA. Jest to kluczowy krok w przenoszeniu nowej technologii z laboratoriów do komercyjnych centrów danych.
Źródło: www.habr.com