Cercetătorii de la Microsoft și de la Universitatea din Washington au demonstrat primul sistem de stocare a datelor complet automatizat și lizibil pentru ADN creat artificial. Acesta este un pas cheie către mutarea noii tehnologii de la laboratoarele de cercetare la centrele de date comerciale.
Dezvoltatorii au demonstrat conceptul printr-un test simplu: au codificat cu succes cuvântul „bună ziua” în fragmente ale unei molecule de ADN sintetic și l-au convertit înapoi în date digitale folosind un sistem complet automatizat de la capăt la capăt, care este descris în , publicat pe 21 martie în Nature Scientific Reports.
Moleculele de ADN pot stoca informații digitale la densități foarte mari, adică în spațiul fizic cu multe ordine de mărime mai mic decât cel ocupat de centrele de date moderne. Este una dintre soluțiile promițătoare pentru stocarea cantității mari de date pe care lumea o generează în fiecare zi, de la înregistrări de afaceri și videoclipuri cu animale drăguțe până la fotografii medicale și imagini din spațiu.
Microsoft explorează modalități de a reduce decalajul potențial dintre acestea și vrem să le păstrăm și capacitatea noastră de a le păstra. Aceste metode includ dezvoltarea de algoritmi și tehnologii de calcul molecular pentru . Acest lucru ar permite tuturor informațiilor stocate într-un centru mare de date modern să se încadreze într-un spațiu aproximativ de dimensiunea mai multor zaruri.
„Scopul nostru principal este să punem în producție un sistem care, pentru utilizatorul final, arată aproape la fel ca orice alt sistem de stocare în cloud: informațiile sunt trimise la centrul de date și stocate acolo, apoi apar pur și simplu când clientul are nevoie de ele. ”, spune cercetătorul Sr. Microsoft Karin Strauss. „Pentru a face acest lucru, trebuia să dovedim că are sens practic din perspectiva automatizării.”
Informațiile sunt stocate în molecule de ADN sintetic create într-un laborator, mai degrabă decât în ADN-ul oamenilor sau al altor ființe vii, și pot fi criptate înainte de a fi trimise în sistem. Deși mașinile complexe precum sintetizatoarele și secvențiatoarele realizează deja părți cheie ale procesului, mulți dintre pașii intermediari au necesitat până acum muncă manuală într-un laborator de cercetare. „Nu este potrivit pentru utilizare comercială”, a spus Chris Takahashi, cercetător senior la Școala Paul Allen de Științe și Inginerie Calculatoare de la USF ().
„Nu poți avea oameni care rulează prin centrul de date cu pipete, este prea predispus la erori umane, este prea scump și ocupă prea mult spațiu”, a explicat Takahashi.
Pentru ca această metodă de stocare a datelor să aibă sens din punct de vedere comercial, costurile atât ale sintezei ADN-ului - creând blocurile fundamentale ale secvențelor semnificative - cât și ale procesului de secvențiere necesar pentru a citi informațiile stocate trebuie reduse. Cercetătorii spun că aceasta este direcția .
Automatizarea este o altă piesă cheie a puzzle-ului, făcând stocarea datelor la scară comercială și mai accesibilă, potrivit cercetătorilor Microsoft.
În anumite condiții, ADN-ul poate dura mult mai mult decât sistemele moderne de stocare de arhivă, care se degradează de-a lungul deceniilor. O parte din ADN a reușit să supraviețuiască în condiții mai puțin decât ideale timp de zeci de mii de ani – în colții de mamut și în oasele primilor oameni. Aceasta înseamnă că datele pot fi stocate în acest fel atâta timp cât există umanitatea.
Sistemul automat de stocare a ADN-ului folosește software dezvoltat de Microsoft și Universitatea din Washington (UW). Acesta convertește datele digitale unii și zerourile în secvențe de nucleotide (A, T, C și G), care sunt „componentele de bază” ale ADN-ului. Apoi, sistemul folosește echipamente de laborator ieftine, în mare parte disponibile, pentru a furniza fluidele și reactivii necesari unui sintetizator, care colectează fragmentele de ADN fabricate și le plasează într-un recipient de depozitare.
Când sistemul trebuie să extragă informații, adaugă alte substanțe chimice pentru a pregăti corect ADN-ul și folosește pompe microfluidice pentru a împinge fluide în părți ale sistemului care citesc secvențele de molecule de ADN și le transformă înapoi în informații pe care un computer le poate înțelege. Cercetătorii spun 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 beneficii ale unui sistem automat de stocare a ADN-ului este că îi eliberează pe oamenii de știință să rezolve probleme complexe fără a pierde timpul căutând sticle de reactivi sau monotonia de a adăuga picături de lichid în eprubete.
„Având un sistem automatizat pentru a face lucrări repetitive, permite laboratoarelor să se concentreze direct pe cercetare și să dezvolte noi strategii pentru a inova mai rapid”, a spus cercetătorul Microsoft Bihlin Nguyen.
Echipa de la Laboratorul de Sisteme Informaționale Moleculare (MISL) a demonstrat deja că poate stoca fotografii cu pisici, lucrări minunate ale literaturii, și înregistrările ADN arhivate și extrageți aceste fișiere fără erori. Până în prezent, au reușit să stocheze 1 gigaoctet de date în ADN, bătând .
Cercetătorii au dezvoltat și metode pentru cum ar fi găsirea și preluarea numai a imaginilor care conțin un măr sau o bicicletă verde folosind moleculele în sine, fără a converti fișierele înapoi în format digital.
„Este sigur să spunem că asistăm la nașterea unui nou tip de sistem informatic, în care moleculele sunt folosite pentru stocarea datelor și electronica pentru control și procesare. Această combinație deschide posibilități foarte interesante pentru viitor”, a spus profesorul Allen School de la Universitatea din Washington. .
Spre deosebire de sistemele de calcul bazate pe siliciu, sistemele de stocare și de calcul bazate pe ADN trebuie să utilizeze fluide pentru a muta moleculele. Dar lichidele sunt de natură diferită de electroni și necesită soluții tehnice complet noi.
Echipa Universității din Washington, în colaborare cu Microsoft, dezvoltă, de asemenea, un sistem programabil care automatizează experimentele de laborator prin utilizarea proprietăților electricității și apei pentru a muta picăturile pe o rețea de electrozi. Un set complet de software și hardware numit , poate amesteca, separa, încălzi sau răci diverse lichide și poate efectua protocoale de laborator.
Scopul este de a automatiza experimentele de laborator care sunt efectuate în prezent manual sau de roboți scumpi de manipulare a lichidelor și de a reduce costurile.
Următorii pași pentru echipa MISL includ integrarea unui sistem automat simplu, end-to-end, cu tehnologii precum Purple Drop, precum și alte tehnologii care permit căutarea moleculelor de ADN. Cercetătorii și-au făcut în mod deliberat modular sistemul automat, astfel încât să poată evolua pe măsură ce au apărut noi tehnologii pentru sinteza, secvențierea și manipularea ADN-ului.
„Unul dintre avantajele acestui sistem este că, dacă vrem să înlocuim una dintre piese cu ceva nou, mai bun sau mai rapid, putem doar conecta piesa nouă”, a spus Nguyen. „Acest lucru ne oferă mai multă flexibilitate pentru viitor.”
Imaginea de sus: Cercetătorii de la Microsoft și de la Universitatea din Washington au înregistrat și numărat cuvântul „Alo„, folosind primul sistem de stocare a datelor ADN complet automatizat. Acesta este un pas cheie în mutarea noii tehnologii de la laboratoare la centre de date comerciale.
Sursa: www.habr.com