Здраво! Прво на свету аутоматско складиштење података у ДНК молекулима

Истраживачи из Мицрософта и Универзитета у Вашингтону демонстрирали су први потпуно аутоматизовани, читљиви систем за складиштење података за вештачки створену ДНК. Ово је кључни корак ка премештању нове технологије из истраживачких лабораторија у комерцијалне центре података.

Програмери су доказали концепт једноставним тестом: успешно су кодирали реч „здраво“ у фрагменте синтетичког молекула ДНК и поново је претворили у дигиталне податке користећи потпуно аутоматизован систем од краја до краја, који је описан у Чланак, објављен 21. марта у Натуре Сциентифиц Репортс.

Овај чланак је на нашој веб страници.

Молекули ДНК могу да складиште дигиталне информације на веома високим густинама, односно у физичком простору који је много редоследа величине мањи од оног који заузимају савремени центри података. То је једно од обећавајућих решења за складиштење огромне количине података које свет генерише сваки дан, од пословних записа и видео записа слатких животиња до медицинских фотографија и слика из свемира.

Мицрософт истражује начине да премости потенцијални јаз између количину података које производимо и желимо да их сачувамо, и нашу способност да их сачувамо. Ове методе укључују развој алгоритама и молекуларних рачунарских технологија за кодирање података у вештачкој ДНК. Ово би омогућило да се све информације ускладиштене у великом модерном центру података уклопе у простор величине неколико коцкица.

„Наш главни циљ је да покренемо систем који ће крајњем кориснику изгледати скоро исто као и сваки други систем за складиштење података у облаку: информације се шаљу у центар података и тамо складиште, а онда се једноставно појављују када су клијенту потребне, ” каже Карин Штраус, истраживач Мицрософта. „Да бисмо то урадили, морали смо да докажемо да има практичног смисла из перспективе аутоматизације.

Информације се чувају у синтетичким молекулима ДНК створеним у лабораторији, а не у ДНК људи или других живих бића, и могу се шифровати пре него што се пошаљу у систем. Иако сложене машине као што су синтисајзери и секвенцери већ обављају кључне делове процеса, многи међукораци су до сада захтевали ручни рад у истраживачкој лабораторији. „Није погодан за комерцијалну употребу“, рекао је Цхрис Такахасхи, виши научни сарадник на Паул Аллен Сцхоол оф Цомпутер Сциенце анд Енгинееринг на УСФ (Паул Г. Аллен Сцхоол оф Цомпутер Сциенце & Енгинееринг).

„Не можете дозволити да људи трче око центра података са пипетама, превише је подложан људским грешкама, прескуп је и заузима превише простора“, објаснио је Такахаши.

Да би овај метод складиштења података имао комерцијалног смисла, трошкови синтезе ДНК – стварања основних грађевних блокова значајних секвенци – и процеса секвенцирања потребног за читање сачуваних информација морају бити смањени. Истраживачи кажу да је то правац брз развој.

Аутоматизација је још један кључни део слагалице, чинећи складиштење података у комерцијалним размерама и приступачнијим, према Мицрософт истраживачима.

Под одређеним условима, ДНК може трајати много дуже од савремених архивских система за складиштење, који деградирају деценијама. Део ДНК је успео да преживи у условима који нису били идеални десетинама хиљада година — у кљовама мамута и у костима раних људи. То значи да се подаци могу чувати на овај начин све док постоји човечанство.

Аутоматизовани систем за складиштење ДНК користи софтвер који су развили Мицрософт и Универзитет у Вашингтону (УВ). Он претвара јединице и нуле дигиталних података у секвенце нуклеотида (А, Т, Ц и Г), који су „грађевински блокови“ ДНК. Систем затим користи јефтину, углавном већ расположиву, лабораторијску опрему за снабдевање потребним течностима и реагенсима синтисајзеру, који прикупља произведене фрагменте ДНК и ставља их у контејнер за складиштење.

Када систем треба да извуче информације, додаје друге хемикалије да правилно припреми ДНК и користи микрофлуидне пумпе да потисне течности у делове система који читају секвенце молекула ДНК и претварају их назад у информације које рачунар може да разуме. Истраживачи кажу да циљ пројекта није био да докаже да систем може да ради брзо или јефтино, већ једноставно да покаже да је аутоматизација могућа.

Једна од најочигледнијих предности аутоматизованог система за складиштење ДНК је то што ослобађа научнике да решавају сложене проблеме без губљења времена на тражење боца са реагенсима или монотоније додавања капи течности у епрувете.

„Поседовање аутоматизованог система за рад који се понавља омогућава лабораторијама да се фокусирају директно на истраживање и развијају нове стратегије за брже иновације“, рекао је истраживач из Мицрософта Бихлин Нгујен.

Тим из Лабораторије за молекуларне информационе системе Лабораторија за молекуларне информационе системе (МИСЛ) је већ показао да може да чува фотографије мачака, дивна књижевна дела, видео и архивирали ДНК записе и издвојили ове датотеке без грешака. До данас су успели да похрањују 1 гигабајт података у ДНК, побеђујући претходни светски рекорд од 200 МБ.

Истраживачи су такође развили методе за изврши смислене прорачунекао што је проналажење и преузимање само слика које садрже јабуку или зелени бицикл користећи саме молекуле, без претварања датотека назад у дигитални формат.

„Са сигурношћу се може рећи да смо сведоци рођења новог типа рачунарског система, у коме се молекули користе за складиштење података, а електроника за контролу и обраду. Ова комбинација отвара веома занимљиве могућности за будућност“, рекао је професор Ален школе на Универзитету у Вашингтону. Лоуис Сесе.

За разлику од рачунарских система заснованих на силицијуму, системи за складиштење и рачунари засновани на ДНК морају да користе течности за кретање молекула. Али течности се по природи разликују од електрона и захтевају потпуно нова техничка решења.

Тим Универзитета у Вашингтону, у сарадњи са Мајкрософтом, такође развија програмабилни систем који аутоматизује лабораторијске експерименте користећи својства струје и воде за померање капљица на мрежи електрода. Комплетан сет софтвера и хардвера тзв Пуддле и ПурплеДроп, може мешати, раздвајати, загревати или хладити различите течности и обављати лабораторијске протоколе.

Циљ је аутоматизовати лабораторијске експерименте који се тренутно изводе ручно или скупим роботима за руковање течностима и смањити трошкове.

Следећи кораци за МИСЛ тим укључују интеграцију једноставног, енд-то-енд аутоматизованог система са технологијама као што је Пурпле Дроп, као и другим технологијама које омогућавају претрагу молекула ДНК. Истраживачи су намерно направили свој аутоматизовани систем модуларним како би се могао развијати како су се појавиле нове технологије за синтезу ДНК, секвенцирање и манипулацију.

„Једна од предности овог система је да ако желимо да заменимо један од делова нечим новим, бољим или бржим, можемо једноставно да прикључимо нови део“, рекао је Нгујен. "Ово нам даје већу флексибилност за будућност."

Горња слика: Истраживачи из Мајкрософта и Универзитета у Вашингтону снимили су и пребројали реч "здраво“, користећи први потпуно аутоматизовани систем за складиштење ДНК података. Ово је кључни корак у премештању нове технологије из лабораторија у комерцијалне центре података.

Извор: ввв.хабр.цом