Cercetătorii de la Microsoft și Universitatea din Washington au demonstrat prima sistem de stocare a datelor complet automatizat în ADN creat artificial, cu capacitatea de citire. Acesta este un pas esențial în direcția transferării noii tehnologii din laboratoarele de cercetare în centrele comerciale de date.
Dezvoltatorii au confirmat conceptul printr-un test simplu: au codificat cu succes cuvântul „hello” în fragmente de ADN sintetic și l-au reconvertit în date digitale, folosind un sistem complet automatizat descris în , publicat pe 21 martie în Nature Scientific Reports.
Informația digitală poate fi stocată în moleculele de ADN cu o densitate foarte mare, adică într-un spațiu fizic care este cu multe ordine de mărime mai mic decât ceea ce ocupă centrele de date moderne. Aceasta este una dintre soluțiile promițătoare pentru stocarea unei cantități uriașe de date pe care lumea le generează în fiecare zi – de la înregistrările de afaceri și videoclipurile cu animale drăguțe, până la imaginile medicale și cele din spațiu.
Microsoft explorează modalități de a depăși potențiala prăpastie între și dorim să-l stocăm și abilitatea noastră de a le păstra. Printre aceste modalități se află dezvoltarea algoritmilor și tehnologiilor de calcul molecular pentru . Acest lucru ar permite stocarea tuturor informațiilor dintr-un mare centru modern de date într-un spațiu aproximativ de dimensiunea a câtorva zaruri.
„Obiectivul nostru principal este să punem în funcțiune un sistem care pentru utilizatorul final să arate aproape la fel ca orice alt sistem de stocare în cloud: informațiile sunt trimise în centrul de date și salvate acolo, apărând apoi pur și simplu atunci când sunt necesare de client,” spune cercetătorul senior de la Microsoft, Karin Strauss. „Pentru aceasta, a trebuit să demonstrăm că are sens practic din perspectiva automatizării.”
Informația este stocată în molecule sintetice de ADN, create în laborator, și nu în ADN-ul oamenilor sau al altor ființe vii, și poate fi criptată înainte de a fi trimisă în sistem. Deși mașini complexe, cum ar fi sintetizatoarele și secvențatoarele, îndeplinesc deja părți esențiale ale procesului, multe dintre etapele intermediare necesită încă muncă manuală în laboratorul de cercetare. „Acest lucru nu este potrivit pentru utilizare comercială”, a spus Chris Takahashi, cercetător senior la Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering.).
„Nu pot rămâne oameni cu pipete în centrul de date, acest tip de abordare are un risc prea mare de eroare umană, este prea costisitor și necesită prea mult spațiu”, a explicat Takahashi.
Pentru ca această metodă de stocare a datelor să aibă sens din punct de vedere comercial, este necesar să se reducă costurile atât pentru sinteza ADN-ului - crearea unităților de bază cu secvențe semnificative, cât și pentru procesul de secvențiere, care este necesar pentru citirea informațiilor salvate. Cercetătorii afirmă că în această direcție are loc .
Potrivit cercetătorilor de la Microsoft, automatizarea este încă o parte esențială a acestei puzzle, permițând organizarea stocării datelor la scară comercială și făcând-o mai accesibilă.
Sub anumite condiții, ADN-ul poate exista mult mai mult timp decât mijloacele moderne de stocare arhivistică, care se degradează în decursul decadelor. Unele ADN-uri au reușit să se păstreze în condiții departe de ideal zeci de mii de ani - în colții de mamut și în oasele oamenilor precoci. Asta înseamnă că datele pot fi păstrate în acest mod cât timp există umanitatea.
Sistemul automatizat de stocare a datelor ADN utilizează un software dezvoltat de specialiștii Microsoft și Universitatea din Washington (UW). Acesta transformă biții digitali în secvențe de nucleotide (A, T, C și G), care reprezintă «ingrediente» ale ADN-ului. Ulterior, sistemul folosește echipamente de laborator standard, relativ ieftine, pentru a livra fluidele și reactivii necesari într-un sintetizator, care asamblează fragmentele de ADN produse și le plasează într-un recipient de stocare.
Când sistemul trebuie să extragă informații, acesta adaugă alte substanțe chimice pentru a pregăti corect ADN-ul și folosește pompe microfluidice pentru a împinge fluidele în părțile sistemului care citesc secvențele moleculelor de ADN și le transformă înapoi în informații înțelese de computer. Cercetătorii afirmă că scopul proiectului nu a fost să demonstreze că sistemul poate funcționa rapid sau ieftin, ci pur și simplu să arate că automatizarea este posibilă.
Unul dintre cele mai evidente avantaje ale sistemului automatizat de stocare a ADN-ului este că acesta eliberează oamenii de știință pentru a se ocupa de probleme complexe, permițându-le să nu piardă timp căutând sticle cu reactivi sau adăugând monoton picături de lichid în eprubete.
„Disponibilitatea unui sistem automatizat pentru a efectua sarcini repetitive le permite angajaților din laboratoare să se concentreze asupra cercetărilor, dezvoltând noi strategii pentru a implementa inovațiile mai rapid”, a declarat cercetătorul Microsoft Bihlin Nguyen.
Echipa de la Laboratorul Sistemelor Informaționale Moleculare (MISL) a demonstrat deja că poate stoca fotografii cu pisici, opere literare minunate, și înregistrări arhivale în ADN și extrage aceste fișiere fără erori. Până în prezent, au reușit să stocheze 1 gigabyte de date în ADN, bătând .
Cercetătorii au dezvoltat, de asemenea, metode pentru , precum identificarea și extragerea exclusiv a imaginilor în care apare un măr sau o bicicletă verde, utilizând moleculele în sine, fără a transforma fișierele înapoi în format digital.
„Se poate spune cu certitudine că asistăm la nașterea unui nou tip de sistem computerizat, în care moleculele sunt folosite pentru stocarea datelor, iar electronică pentru gestionare și procesare. Această combinație deschide posibilități foarte interesante pentru viitor”, a spus profesorul școlii Allen de la Universitatea Washington. .
Spre deosebire de sistemele de calcul bazate pe componente din siliciu, sistemele de stocare și calcul pe bază de ADN trebuie să utilizeze fluide pentru a muta moleculele. Totuși, fluidele, prin natura lor, sunt diferite de electroni și necesită soluții tehnice complet noi.
Echipa Universității Washington, în colaborare cu Microsoft, dezvoltă de asemenea un sistem programabil care automatizează experimentele de laborator, folosind proprietățile electricității și apei pentru a muta picături pe o rețea de electrozi. Setul complet de software și hardware, denumit , poate amesteca, separa, încălzi sau răci diverse fluide și executa protocoalele de laborator.
Scopul este de a automatiza experimentele de laborator, care în prezent sunt efectuate manual sau de roboți costisitori care funcționează cu fluide, și de a reduce costurile.
Următorii pași pentru echipa MISL includ integrarea unui sistem de automatizare simplu, de tip end-to-end, cu tehnologii precum Purple Drop, precum și cu alte tehnologii care permit căutarea în moleculele de ADN. Cercetătorii au creat de special sistemul lor automatizat ca fiind modular, astfel încât să poată evolua pe măsură ce apar noi tehnologii pentru sinteză, secvențiere și lucru cu ADN-ul.
„Unul dintre avantajele acestui sistem este că, dacă dorim să înlocuim una dintre părți cu ceva nou, mai avansat sau mai rapid, putem pur și simplu să conectăm noua parte”, a spus Nguyen. „Asta ne oferă o flexibilitate mai mare pentru viitor”.
Imaginea de sus: cercetătorii de la Microsoft și Universitatea Washington au înregistrat și citit cuvântul „hello”, folosind prima sistem complet automatizat de stocare a datelor în ADN. Aceasta este o etapă cheie pentru transferarea noii tehnologii din laboratoare în centrele comerciale de procesare a datelor.
Sursa: habr.com
