Raziskovalci iz Microsofta in Univerze v Washingtonu so predstavili prvi popolnoma avtomatiziran, berljiv sistem za shranjevanje podatkov za umetno ustvarjeno DNK. To je ključni korak k selitvi nove tehnologije iz raziskovalnih laboratorijev v komercialne podatkovne centre.
Razvijalci so koncept dokazali s preprostim testom: uspešno so zakodirali besedo "zdravo" v fragmente sintetične molekule DNK in jo pretvorili nazaj v digitalne podatke s pomočjo popolnoma avtomatiziranega sistema od konca do konca, ki je opisan v , objavljeno 21. marca v Nature Scientific Reports.
Molekule DNK lahko shranjujejo digitalne informacije pri zelo visoki gostoti, to je v fizičnem prostoru, ki je za veliko redov velikosti manjši od tistega, ki ga zasedajo sodobni podatkovni centri. Je ena izmed obetavnih rešitev za shranjevanje ogromne količine podatkov, ki jih svet ustvari vsak dan, od poslovnih zapisov in video posnetkov ljubkih živali do medicinskih fotografij in slik iz vesolja.
Microsoft raziskuje načine za premostitev morebitne vrzeli med in želimo ohraniti ter našo sposobnost, da jih ohranimo. Te metode vključujejo razvoj algoritmov in molekularnih računalniških tehnologij za . To bi omogočilo, da se vse informacije, shranjene v velikem sodobnem podatkovnem centru, prilegajo v prostor velikosti več kock.
»Naš glavni cilj je uvesti v proizvodnjo sistem, ki je za končnega uporabnika videti skoraj enako kot kateri koli drug sistem za shranjevanje v oblaku: informacije se pošljejo v podatkovni center in tam shranijo, nato pa se preprosto prikažejo, ko jih stranka potrebuje. ,« pravi s. Microsoftova raziskovalka Karin Strauss. "Da bi to naredili, smo morali dokazati, da je to praktično smiselno z vidika avtomatizacije."
Informacije so shranjene v sintetičnih molekulah DNK, ustvarjenih v laboratoriju, namesto v DNK ljudi ali drugih živih bitij, in jih je mogoče šifrirati, preden se pošljejo v sistem. Čeprav zapleteni stroji, kot so sintetizatorji in sekvencerji, že opravljajo ključne dele procesa, so številni vmesni koraki doslej zahtevali ročno delo v raziskovalnem laboratoriju. "Ni primeren za komercialno uporabo," je dejal Chris Takahashi, višji znanstveni sodelavec na šoli Paul Allen za računalništvo in inženirstvo pri USF ().
"Ne morete imeti ljudi, ki tekajo po podatkovnem centru s pipetami, preveč je nagnjen k človeškim napakam, predrag je in zavzame preveč prostora," je pojasnil Takahashi.
Da bi bila ta metoda shranjevanja podatkov komercialno smiselna, je treba zmanjšati stroške sinteze DNK – ustvarjanje temeljnih gradnikov pomembnih zaporedij – in postopka zaporedja, potrebnega za branje shranjenih informacij. Raziskovalci pravijo, da je to smer .
Po besedah Microsoftovih raziskovalcev je avtomatizacija še en ključni del uganke, zaradi česar je shranjevanje podatkov v komercialnem obsegu in cenovno dostopnejše.
Pod določenimi pogoji lahko DNK traja veliko dlje kot sodobni arhivski sistemi za shranjevanje, ki se desetletja razgradijo. Nekaterim DNK je uspelo preživeti v razmerah, ki niso idealne več deset tisoč let – v oklih mamuta in v kosteh zgodnjih ljudi. To pomeni, da se lahko podatki na ta način hranijo, dokler obstaja človeštvo.
Avtomatiziran sistem za shranjevanje DNK uporablja programsko opremo, ki sta jo razvila Microsoft in Univerza v Washingtonu (UW). Enice in ničle digitalnih podatkov pretvori v zaporedja nukleotidov (A, T, C in G), ki so "gradniki" DNK. Sistem nato uporablja poceni, večinoma gotovo laboratorijsko opremo za dobavo potrebnih tekočin in reagentov v sintetizator, ki zbira izdelane fragmente DNK in jih postavi v posodo za shranjevanje.
Ko mora sistem pridobiti informacije, doda druge kemikalije za pravilno pripravo DNK in uporabi mikrofluidne črpalke za potiskanje tekočin v dele sistema, ki berejo zaporedja molekul DNK in jih pretvorijo nazaj v informacije, ki jih lahko razume računalnik. Raziskovalci pravijo, da cilj projekta ni bil dokazati, da lahko sistem deluje hitro ali poceni, ampak preprosto pokazati, da je avtomatizacija možna.
Ena najbolj očitnih prednosti avtomatiziranega sistema za shranjevanje DNK je, da znanstvenikom omogoča reševanje zapletenih problemov, ne da bi izgubljali čas z iskanjem steklenic z reagenti ali monotonostjo dodajanja kapljic tekočine v epruvete.
»Avtomatiziran sistem za opravljanje ponavljajočega se dela laboratorijem omogoča, da se osredotočijo neposredno na raziskave in razvijejo nove strategije za hitrejše inovacije,« je dejal Microsoftov raziskovalec Bihlin Nguyen.
Ekipa iz Laboratorija za molekularne informacijske sisteme (MISL) je že dokazal, da lahko shrani fotografije mačk, čudovita literarna dela, in arhivirane zapise DNK ter ekstrahirajte te datoteke brez napak. Do danes jim je uspelo v DNK shraniti 1 gigabajt podatkov, premagati .
Raziskovalci so razvili tudi metode za kot je iskanje in pridobivanje samo slik, ki vsebujejo jabolko ali zeleno kolo, z uporabo samih molekul, brez pretvorbe datotek nazaj v digitalno obliko.
»Z gotovostjo lahko rečemo, da smo priča rojstvu nove vrste računalniških sistemov, v katerih se molekule uporabljajo za shranjevanje podatkov, elektronika pa za nadzor in obdelavo. Ta kombinacija odpira zelo zanimive možnosti za prihodnost,« je dejal profesor Allen School na Univerzi v Washingtonu. .
Za razliko od računalniških sistemov, ki temeljijo na siliciju, morajo sistemi za shranjevanje in računalništvo, ki temeljijo na DNK, za premikanje molekul uporabljati tekočine. Toda tekočine so po naravi drugačne od elektronov in zahtevajo povsem nove tehnične rešitve.
Ekipa Univerze v Washingtonu v sodelovanju z Microsoftom razvija tudi programabilni sistem, ki avtomatizira laboratorijske poskuse z uporabo lastnosti elektrike in vode za premikanje kapljic na mreži elektrod. Popoln sklop programske in strojne opreme, imenovan , zna mešati, ločevati, segrevati ali hladiti različne tekočine in izvajati laboratorijske protokole.
Cilj je avtomatizirati laboratorijske poskuse, ki se trenutno izvajajo ročno ali z dragimi roboti za ravnanje s tekočinami, in zmanjšati stroške.
Naslednji koraki za ekipo MISL vključujejo integracijo preprostega avtomatiziranega sistema od konca do konca s tehnologijami, kot je Purple Drop, kot tudi druge tehnologije, ki omogočajo iskanje molekul DNK. Raziskovalci so namenoma naredili svoj avtomatiziran sistem modularen, tako da se je lahko razvijal, ko so se pojavile nove tehnologije za sintezo, zaporedje in manipulacijo DNK.
"Ena od prednosti tega sistema je, da če želimo zamenjati enega od delov z nečim novim, boljšim ali hitrejšim, lahko enostavno priključimo nov del," je dejal Nguyen. "To nam daje večjo prilagodljivost za prihodnost."
Zgornja slika: Raziskovalci iz Microsofta in Univerze v Washingtonu so posneli in prešteli besedo "zdravo", ki uporablja prvi popolnoma avtomatiziran sistem za shranjevanje podatkov DNK. To je ključni korak pri selitvi nove tehnologije iz laboratorijev v komercialne podatkovne centre.
Vir: www.habr.com