Výskumníci z Microsoftu a Washingtonskej univerzity demonštrovali prvý plne automatizovaný, čitateľný systém na ukladanie dát pre umelo vytvorenú DNA. Ide o kľúčový krok smerom k presunu novej technológie z výskumných laboratórií do komerčných dátových centier.
Vývojári koncept dokázali jednoduchým testom: slovo „ahoj“ úspešne zakódovali do fragmentov syntetickej molekuly DNA a previedli ich späť na digitálne dáta pomocou plne automatizovaného end-to-end systému, ktorý je popísaný v , uverejnené 21. marca v Nature Scientific Reports.
Molekuly DNA môžu uchovávať digitálne informácie vo veľmi vysokých hustotách, to znamená vo fyzickom priestore, ktorý je o mnoho rádov menší ako priestor, ktorý zaberajú moderné dátové centrá. Je to jedno zo sľubných riešení na ukladanie obrovského množstva údajov, ktoré svet každý deň generuje, od obchodných záznamov a videí roztomilých zvieratiek až po lekárske fotografie a obrázky z vesmíru.
Microsoft skúma spôsoby, ako preklenúť potenciálnu priepasť medzi nimi a chceme ich zachovať a našu schopnosť zachovať ich. Tieto metódy zahŕňajú vývoj algoritmov a technológií molekulárnych výpočtov pre . To by umožnilo, aby sa všetky informácie uložené vo veľkom modernom dátovom centre zmestili do priestoru s veľkosťou približne niekoľkých kociek.
„Naším hlavným cieľom je spustiť systém, ktorý bude pre koncového používateľa vyzerať takmer rovnako ako ktorýkoľvek iný cloudový úložný systém: informácie sa posielajú do dátového centra a tam sa ukladajú a potom sa jednoducho objavia, keď ich klient potrebuje. “ hovorí výskumníčka Sr. Microsoft Karin Strauss. "Aby sme to dosiahli, museli sme dokázať, že to dáva praktický zmysel z hľadiska automatizácie."
Informácie sú uložené v syntetických molekulách DNA vytvorených v laboratóriu, a nie v DNA ľudí alebo iných živých vecí, a môžu byť pred odoslaním do systému zašifrované. Hoci zložité stroje, ako sú syntetizátory a sekvencery, už vykonávajú kľúčové časti procesu, mnohé z medzikrokov si doteraz vyžadovali manuálnu prácu vo výskumnom laboratóriu. "Nie je vhodný na komerčné použitie," povedal Chris Takahashi, vedúci výskumník na Paul Allen School of Computer Science and Engineering na USF ().
„Nemôžete nechať ľudí pobehovať po dátovom centre s pipetami, je to príliš náchylné na ľudskú chybu, je to príliš drahé a zaberá to príliš veľa miesta,“ vysvetlil Takahashi.
Aby táto metóda ukladania údajov mala komerčne zmysel, musia sa znížiť náklady na syntézu DNA – vytváranie základných stavebných blokov zmysluplných sekvencií – a na proces sekvenovania potrebného na čítanie uložených informácií. Výskumníci tvrdia, že toto je smer .
Automatizácia je podľa výskumníkov Microsoftu ďalším kľúčovým kúskom skladačky, vďaka čomu je ukladanie dát v komerčnom meradle a dostupnejšie.
Za určitých podmienok môže DNA vydržať oveľa dlhšie ako moderné archívne skladovacie systémy, ktoré degradujú desaťročia. Niektorej DNA sa podarilo prežiť v menej ako ideálnych podmienkach desiatky tisíc rokov – v mamutích kloch a v kostiach raných ľudí. To znamená, že dáta môžu byť takto uchovávané, kým ľudstvo existuje.
Automatizovaný systém ukladania DNA využíva softvér vyvinutý spoločnosťou Microsoft a University of Washington (UW). Prevádza jednotky a nuly digitálnych údajov na sekvencie nukleotidov (A, T, C a G), ktoré sú „stavebnými kameňmi“ DNA. Systém potom používa lacné, väčšinou bežne dostupné laboratórne vybavenie na dodávanie potrebných tekutín a činidiel do syntetizátora, ktorý zbiera vyrobené fragmenty DNA a umiestňuje ich do skladovacej nádoby.
Keď systém potrebuje extrahovať informácie, pridá ďalšie chemikálie na správnu prípravu DNA a pomocou mikrofluidných čerpadiel vytlačí tekutiny do častí systému, ktoré čítajú sekvencie molekúl DNA a premieňajú ich späť na informácie, ktorým počítač rozumie. Vedci tvrdia, že cieľom projektu nebolo dokázať, že systém môže fungovať rýchlo alebo lacno, ale jednoducho ukázať, že automatizácia je možná.
Jednou z najzreteľnejších výhod automatizovaného systému uchovávania DNA je to, že oslobodzuje vedcov pri riešení zložitých problémov bez toho, aby strácali čas hľadaním fliaš s činidlami alebo monotónnosťou pridávania kvapiek tekutiny do skúmaviek.
„Automatizovaný systém na vykonávanie opakovanej práce umožňuje laboratóriám zamerať sa priamo na výskum a vyvíjať nové stratégie na rýchlejšie inovácie,“ povedala výskumníčka spoločnosti Microsoft Bihlin Nguyen.
Tím z Laboratória molekulárnych informačných systémov (MISL) už preukázala, že dokáže uchovávať fotografie mačiek, nádherné literárne diela, a archivovali záznamy DNA a extrahovali tieto súbory bez chýb. K dnešnému dňu boli schopní uložiť 1 gigabajt údajov v DNA, čo porazilo .
Výskumníci tiež vyvinuli metódy pre ako je hľadanie a získavanie iba obrázkov, ktoré obsahujú jablko alebo zelený bicykel pomocou samotných molekúl, bez toho, aby sa súbory konvertovali späť do digitálneho formátu.
„Dá sa povedať, že sme svedkami zrodu nového typu počítačového systému, v ktorom sa molekuly používajú na ukladanie dát a elektronika na riadenie a spracovanie. Táto kombinácia otvára veľmi zaujímavé možnosti do budúcnosti,“ povedal profesor Allen School z Washingtonskej univerzity. .
Na rozdiel od výpočtových systémov na báze kremíka musia úložné a výpočtové systémy založené na DNA používať tekutiny na pohyb molekúl. Kvapaliny sú však svojou povahou odlišné od elektrónov a vyžadujú si úplne nové technické riešenia.
Tím University of Washington v spolupráci s Microsoftom tiež vyvíja programovateľný systém, ktorý automatizuje laboratórne experimenty využívaním vlastností elektriny a vody na pohyb kvapiek na mriežke elektród. Kompletná sada softvéru a hardvéru tzv môže miešať, oddeľovať, ohrievať alebo chladiť rôzne kvapaliny a vykonávať laboratórne protokoly.
Cieľom je automatizovať laboratórne experimenty, ktoré sa v súčasnosti vykonávajú ručne alebo pomocou drahých robotov na manipuláciu s kvapalinami, a znížiť náklady.
Medzi ďalšie kroky tímu MISL patrí integrácia jednoduchého, komplexného automatizovaného systému s technológiami, ako je Purple Drop, ako aj s ďalšími technológiami, ktoré umožňujú vyhľadávanie molekúl DNA. Výskumníci zámerne urobili svoj automatizovaný systém modulárny, aby sa mohol vyvíjať, keď sa objavia nové technológie na syntézu DNA, sekvenovanie a manipuláciu.
„Jednou z výhod tohto systému je, že ak chceme nahradiť jednu z častí niečím novým, lepším alebo rýchlejším, môžeme novú časť jednoducho zapojiť,“ povedal Nguyen. "To nám dáva väčšiu flexibilitu do budúcnosti."
Horný obrázok: Výskumníci z Microsoftu a Washingtonskej univerzity zaznamenali a spočítali slovo „ahoj“, pomocou prvého plne automatizovaného systému ukladania údajov DNA. Ide o kľúčový krok pri presune novej technológie z laboratórií do komerčných dátových centier.
Zdroj: hab.com