Pesquisadores da Microsoft e da Universidade de Washington demonstraram o primeiro sistema de armazenamento de dados totalmente automatizado em DNA sintético, com capacidade de leitura. Este é um passo crucial para levar essa nova tecnologia de laboratórios de pesquisa para centros de dados comerciais.
Os desenvolvedores confirmaram o conceito com um teste simples: codificaram com sucesso a palavra "hello" em fragmentos de moléculas de DNA sintético e a transformaram de volta em dados digitais, utilizando um sistema de ponta a ponta totalmente automatizado, que está descrito em , publicado em 21 de março na Nature Scientific Reports.
As moléculas de DNA podem armazenar informações digitais com uma densidade muito alta, ou seja, em um espaço físico que é muitos ordens de magnitude menor do que o que os atuais centros de dados ocupam. Esta é uma das soluções promissoras para armazenar a imensa quantidade de dados que o mundo gera todos os dias — desde registros comerciais e vídeos de animais fofos até imagens médicas e fotografias do espaço.
A Microsoft está explorando maneiras de superar a possível lacuna entre e queremos preservar, e nossa capacidade de armazená-los. Entre essas maneiras está o desenvolvimento de algoritmos e tecnologias de computação molecular para . Isso permitiria armazenar toda a informação contida em um grande centro de dados moderno em um espaço aproximadamente igual ao tamanho de alguns dados de jogo.
"Nosso principal objetivo é implantar um sistema que para o usuário final se pareça quase com qualquer outro sistema de armazenamento em nuvem: informações são enviadas para o centro de dados e armazenadas lá, e então surgem simplesmente quando o cliente precisa delas", diz Karin Strauss, pesquisadora sênior da Microsoft. "Para isso, precisávamos provar que isso faz sentido prático em termos de automação."
A informação é armazenada em moléculas sintéticas de DNA criadas em laboratório, e não no DNA de pessoas ou outros seres vivos, podendo ser criptografada antes de ser enviada ao sistema. Embora máquinas complexas, como sintetizadores e sequenciadores, já realizem partes essenciais do processo, muitos dos passos intermediários ainda exigem trabalho manual em laboratório de pesquisa. "Isso não é adequado para uso comercial", disse Chris Takahashi, pesquisador sênior da Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering da Universidade Estadual dos EUA.).
"Não é possível que pessoas com pipetas andem pelo centro de dados; com essa abordagem, a probabilidade de erro humano é muito alta, é muito caro e ocupa espaço demais", explicou Takahashi.
Para que esse método de armazenamento de dados faça sentido do ponto de vista comercial, é necessário reduzir os custos tanto para a síntese de DNA - a criação de blocos de construção fundamentais com sequências significativas - quanto para o processo de sequenciamento, que é necessário para ler as informações armazenadas. Os pesquisadores afirmam que neste sentido está em .
Segundo pesquisadores da Microsoft, a automação é outra parte crucial desse quebra-cabeça, permitindo organizar o armazenamento de dados em escala comercial e torná-lo mais acessível.
Sob certas condições, o DNA pode existir muito mais tempo do que os meios modernos de armazenamento que se degradam em décadas. Alguns DNAs conseguiram se preservar em condições longe do ideal por dezenas de milhares de anos - nos dentes dos mamutes e nos ossos dos primeiros humanos. Portanto, os dados podem ser armazenados dessa forma enquanto a humanidade existir.
O sistema automatizado de armazenamento de dados de DNA utiliza um software desenvolvido por especialistas da Microsoft e da Universidade de Washington (UW). Ele converte unidades e zeros de dados digitais em sequências de nucleotídeos (A, T, C e G), que representam os "blocos de construção" do DNA. Em seguida, o sistema usa equipamentos de laboratório baratos, principalmente padrão, para fornecer os líquidos e reagentes necessários ao sintetizador, que monta os fragmentos de DNA fabricados e os armazena em um recipiente.
Quando o sistema precisa extrair informações, ele adiciona outras substâncias químicas para preparar corretamente o DNA e utiliza bombas microfluídicas para empurrar os líquidos para as partes do sistema que leem as sequências de moléculas de DNA e as convertem de volta em informações compreensíveis para o computador. Os pesquisadores dizem que o objetivo do projeto não era provar que o sistema poderia funcionar rapidamente ou a baixo custo, mas apenas mostrar que a automação é possível.
Uma das vantagens mais óbvias do sistema automatizado de armazenamento de DNA é que ele libera os cientistas para resolver problemas complexos, permitindo que não desperdicem tempo procurando frascos de reagentes ou adicionando gotículas de líquido em tubos de ensaio de forma monótona.
"Ter um sistema automatizado para realizar trabalhos repetitivos permite que os funcionários de laboratório se concentrem diretamente em pesquisas, desenvolvendo novas estratégias para implementar inovações mais rapidamente", disse o pesquisador da Microsoft, Bihlin Nguyen.
Equipe do Laboratório de Sistemas de Informação Molecular (MISL) já demonstrou que pode armazenar fotos de gatinhos, obras literárias incríveis, e registros de arquivo em DNA e extrair esses arquivos sem erros. Até agora, conseguiram armazenar 1 gigabyte de dados em DNA, quebrando .
Os pesquisadores também desenvolveram métodos para , como buscar e extrair apenas imagens que contenham uma maçã ou uma bicicleta verde, usando as próprias moléculas, sem converter os arquivos de volta para o formato digital.
«Pode-se afirmar com confiança que estamos testemunhando o nascimento de um novo tipo de sistema computacional, onde moléculas são usadas para armazenamento de dados e a eletrônica para controle e processamento. Essa combinação abre possibilidades muito interessantes para o futuro», disse o professor da Escola Allen da Universidade de Washington. .
Diferente dos sistemas computacionais baseados em componentes de silício, sistemas de armazenamento e cálculo baseados em DNA devem usar líquidos para mover moléculas. Mas os líquidos, por sua natureza, diferem dos elétrons e requerem soluções técnicas completamente novas.
A equipe da Universidade de Washington, em colaboração com a Microsoft, também está desenvolvendo um sistema programável que automatiza experimentos laboratoriais, utilizando as propriedades da eletricidade e da água para mover gotas em uma grade de eletrodos. O conjunto completo de software e hardware recebeu os nomes , que podem misturar, separar, aquecer ou resfriar vários líquidos e executar protocolos laboratoriais.
O objetivo é automatizar experimentos laboratoriais que atualmente são realizados manualmente ou por robôs caros que trabalham com líquidos, reduzindo os custos.
Os próximos passos para a equipe do MISL incluem a integração de um sistema automatizado simples com tecnologias como o Purple Drop, assim como com outras tecnologias que permitem a busca em moléculas de DNA. Os pesquisadores especificamente tornaram seu sistema automatizado modular, para que ele possa evoluir à medida que novas tecnologias para síntese, sequenciamento e manipulação de DNA se tornam disponíveis.
«Uma das vantagens desse sistema é que se quisermos substituir uma das partes por algo novo, mais avançado ou mais rápido, podemos simplesmente conectar a nova parte, - disse Nguyen. - Isso nos dá uma grande flexibilidade para o futuro».
Imagem superior: pesquisadores da Microsoft e da Universidade de Washington gravaram e leram a palavra «hello», usando o primeiro sistema de armazenamento de dados totalmente automatizado em DNA. Este é um passo crucial para levar a nova tecnologia dos laboratórios para os centros de dados comerciais.
Fonte: habr.com
