Pesquisadores da Microsoft e da Universidade de Washington demonstraram o primeiro sistema de armazenamento de dados totalmente automatizado e legível para DNA criado artificialmente. Este é um passo fundamental para transferir novas tecnologias dos laboratórios de pesquisa para data centers comerciais.
Os desenvolvedores provaram o conceito com um teste simples: eles codificaram com sucesso a palavra “olá” em fragmentos de uma molécula sintética de DNA e a converteram novamente em dados digitais usando um sistema ponta a ponta totalmente automatizado, descrito em , publicado em 21 de março na Nature Scientific Reports.
As moléculas de DNA podem armazenar informações digitais em densidades muito altas, ou seja, em um espaço físico muitas ordens de magnitude menor do que o ocupado pelos data centers modernos. É uma das soluções promissoras para armazenar a grande quantidade de dados que o mundo gera todos os dias, desde registos comerciais e vídeos de animais fofos até fotografias médicas e imagens do espaço.
A Microsoft está explorando maneiras de preencher a lacuna potencial entre e queremos preservar, e a nossa capacidade de preservá-los. Esses métodos incluem o desenvolvimento de algoritmos e tecnologias de computação molecular para . Isso permitiria que todas as informações armazenadas em um grande data center moderno cabessem em um espaço aproximadamente do tamanho de vários dados.
“Nosso principal objetivo é lançar um sistema que, para o usuário final, seja quase igual a qualquer outro sistema de armazenamento em nuvem: as informações são enviadas para o data center e armazenadas lá, e então simplesmente aparecem quando o cliente precisa, ” diz Karin Strauss, pesquisadora sênior da Microsoft. “Para fazer isso, precisávamos provar que fazia sentido prático do ponto de vista da automação.”
A informação é armazenada em moléculas sintéticas de DNA criadas em laboratório, e não no DNA de humanos ou de outros seres vivos, e pode ser criptografada antes de ser enviada ao sistema. Embora máquinas complexas, como sintetizadores e sequenciadores, já executem partes essenciais do processo, muitas das etapas intermediárias exigiam até agora trabalho manual em um laboratório de pesquisa. “Não é adequado para uso comercial”, disse Chris Takahashi, pesquisador sênior da Escola Paul Allen de Ciência da Computação e Engenharia da USF ().
“Você não pode ter pessoas circulando pelo data center com pipetas, é muito propenso a erros humanos, é muito caro e ocupa muito espaço”, explicou Takahashi.
Para que este método de armazenamento de dados faça sentido comercialmente, os custos da síntese de ADN – criação dos blocos de construção fundamentais de sequências significativas – e do processo de sequenciação necessário para ler a informação armazenada devem ser reduzidos. Pesquisadores dizem que esta é a direção .
A automação é outra peça-chave do quebra-cabeça, tornando o armazenamento de dados em escala comercial e mais acessível, segundo pesquisadores da Microsoft.
Sob certas condições, o ADN pode durar muito mais tempo do que os modernos sistemas de armazenamento de arquivos, que se degradam ao longo de décadas. Parte do DNA conseguiu sobreviver em condições nada ideais durante dezenas de milhares de anos – em presas de mamute e nos ossos dos primeiros humanos. Isto significa que os dados podem ser armazenados desta forma enquanto a humanidade existir.
O sistema automatizado de armazenamento de DNA usa software desenvolvido pela Microsoft e pela Universidade de Washington (UW). Ele converte uns e zeros de dados digitais em sequências de nucleotídeos (A, T, C e G), que são os “blocos de construção” do DNA. O sistema então usa equipamentos de laboratório baratos, em sua maioria prontos para uso, para fornecer os fluidos e reagentes necessários a um sintetizador, que coleta os fragmentos de DNA fabricados e os coloca em um recipiente de armazenamento.
Quando o sistema precisa extrair informações, ele adiciona outros produtos químicos para preparar adequadamente o DNA e usa bombas microfluídicas para empurrar fluidos para partes do sistema que leem as sequências de moléculas de DNA e as convertem de volta em informações que um computador pode entender. Os pesquisadores dizem que o objetivo do projeto não era provar que o sistema poderia funcionar de forma rápida ou barata, mas simplesmente mostrar que a automação era possível.
Um dos benefícios mais óbvios de um sistema automatizado de armazenamento de DNA é que ele libera os cientistas para resolver problemas complexos sem perder tempo procurando frascos de reagentes ou a monotonia de adicionar gotas de líquido em tubos de ensaio.
“Ter um sistema automatizado para realizar trabalhos repetitivos permite que os laboratórios se concentrem diretamente na pesquisa e desenvolvam novas estratégias para inovar mais rapidamente”, disse o pesquisador da Microsoft Bihlin Nguyen.
Equipe do Laboratório de Sistemas de Informação Molecular (MISL) já demonstrou que pode armazenar fotografias de gatos, maravilhosas obras de literatura, e registros de DNA arquivados e extrair esses arquivos sem erros. Até o momento, eles conseguiram armazenar 1 gigabyte de dados no DNA, superando .
Os pesquisadores também desenvolveram métodos para como encontrar e recuperar apenas imagens que contenham uma maçã ou uma bicicleta verde usando as próprias moléculas, sem converter os arquivos novamente para o formato digital.
“É seguro dizer que estamos testemunhando o nascimento de um novo tipo de sistema computacional, no qual moléculas são utilizadas para armazenamento de dados e eletrônicos para controle e processamento. Esta combinação abre possibilidades muito interessantes para o futuro”, disse o professor da Allen School, na Universidade de Washington. .
Ao contrário dos sistemas de computação baseados em silício, os sistemas de armazenamento e computação baseados em DNA devem usar fluidos para mover moléculas. Mas os líquidos são de natureza diferente dos elétrons e exigem soluções técnicas completamente novas.
A equipe da Universidade de Washington, em colaboração com a Microsoft, também está desenvolvendo um sistema programável que automatiza experimentos de laboratório usando as propriedades da eletricidade e da água para mover gotículas em uma grade de eletrodos. Um conjunto completo de software e hardware chamado , pode misturar, separar, aquecer ou resfriar diversos líquidos e realizar protocolos laboratoriais.
O objetivo é automatizar experimentos de laboratório que atualmente são realizados manualmente ou por caros robôs de manuseio de líquidos e reduzir custos.
Os próximos passos da equipe MISL incluem a integração de um sistema automatizado simples e completo com tecnologias como Purple Drop, bem como outras tecnologias que permitem a busca de moléculas de DNA. Os pesquisadores tornaram deliberadamente seu sistema automatizado modular para que pudesse evoluir à medida que surgissem novas tecnologias para síntese, sequenciamento e manipulação de DNA.
“Um dos benefícios deste sistema é que se quisermos substituir uma das peças por algo novo, melhor ou mais rápido, podemos simplesmente ligar a nova peça”, disse Nguyen. “Isso nos dá mais flexibilidade para o futuro.”
Imagem superior: Pesquisadores da Microsoft e da Universidade de Washington registraram e contaram a palavra "Olá", usando o primeiro sistema de armazenamento de dados de DNA totalmente automatizado. Este é um passo fundamental na transferência de novas tecnologias de laboratórios para data centers comerciais.
Fonte: habr.com