Forskare från Microsoft och University of Washington har visat det första helautomatiska, läsbara datalagringssystemet för artificiellt skapat DNA. Detta är ett viktigt steg mot att flytta ny teknik från forskningslabb till kommersiella datacenter.
Utvecklarna bevisade konceptet med ett enkelt test: de kodade framgångsrikt ordet "hej" till fragment av en syntetisk DNA-molekyl och omvandlade det tillbaka till digital data med hjälp av ett helt automatiserat end-to-end-system, vilket beskrivs i , publicerad 21 mars i Nature Scientific Reports.
DNA-molekyler kan lagra digital information med mycket höga densiteter, det vill säga i fysiskt utrymme som är många storleksordningar mindre än det som upptas av moderna datacenter. Det är en av de lovande lösningarna för att lagra den enorma mängd data som världen genererar varje dag, från affärsregister och videor på söta djur till medicinska fotografier och bilder från rymden.
Microsoft undersöker sätt att överbrygga den potentiella klyftan mellan och vi vill bevara, och vår förmåga att bevara dem. Dessa metoder inkluderar utveckling av algoritmer och molekylära beräkningsteknologier för . Detta skulle tillåta all information som lagras i ett stort modernt datacenter att passa in i ett utrymme som är ungefär lika stort som flera tärningar.
"Vårt huvudmål är att sätta i produktion ett system som, för slutanvändaren, ser nästan likadant ut som alla andra molnlagringssystem: information skickas till datacentret och lagras där, och sedan dyker den upp när kunden behöver den. , säger Sr. Microsoft-forskaren Karin Strauss. "För att göra detta behövde vi bevisa att det var praktiskt vettigt ur ett automationsperspektiv."
Informationen lagras i syntetiska DNA-molekyler skapade i ett laboratorium, snarare än i DNA från människor eller andra levande varelser, och kan krypteras innan de skickas till systemet. Även om komplexa maskiner som synthesizers och sequencers redan utför viktiga delar av processen, har många av de mellanliggande stegen hittills krävt manuellt arbete i ett forskningslaboratorium. "Den är inte lämplig för kommersiellt bruk", säger Chris Takahashi, senior forskare vid Paul Allen School of Computer Science and Engineering vid USF ().
"Du kan inte ha människor som springer runt i datacentret med pipetter, det är för benäget att göra mänskliga fel, det är för dyrt och det tar för mycket utrymme", förklarade Takahashi.
För att denna datalagringsmetod ska vara meningsfull kommersiellt måste kostnaderna för både DNA-syntes – att skapa de grundläggande byggstenarna för meningsfulla sekvenser – och sekvenseringsprocessen som behövs för att läsa den lagrade informationen minskas. Forskare säger att detta är riktningen .
Automatisering är en annan viktig pusselbit som gör datalagring i kommersiell skala och mer överkomlig, enligt Microsofts forskare.
Under vissa förhållanden kan DNA hålla mycket längre än moderna arkivlagringssystem, som bryts ned under decennier. En del DNA har lyckats överleva under mindre än idealiska förhållanden i tiotusentals år – i mammutbetar och i ben hos tidiga människor. Det betyder att data kan lagras på detta sätt så länge mänskligheten existerar.
Det automatiserade DNA-lagringssystemet använder programvara utvecklad av Microsoft och University of Washington (UW). Den omvandlar ettor och nollor av digital data till sekvenser av nukleotider (A, T, C och G), som är "byggstenarna" för DNA. Systemet använder sedan billig laboratorieutrustning, mestadels från hyllan, för att tillföra nödvändiga vätskor och reagenser till en syntetiserare, som samlar upp de tillverkade DNA-fragmenten och placerar dem i en förvaringsbehållare.
När systemet behöver extrahera information, tillsätter det andra kemikalier för att korrekt förbereda DNA:t och använder mikrofluidpumpar för att trycka in vätskor i delar av systemet som läser sekvenserna av DNA-molekyler och omvandlar dem tillbaka till information som en dator kan förstå. Forskarna säger att målet med projektet inte var att bevisa att systemet kunde fungera snabbt eller billigt, utan helt enkelt att visa att automatisering var möjlig.
En av de mest uppenbara fördelarna med ett automatiserat DNA-lagringssystem är att det frigör forskare att lösa komplexa problem utan att slösa tid på att leta efter flaskor med reagens eller monotonin att tillsätta droppar vätska i provrör.
"Att ha ett automatiserat system för att utföra repetitivt arbete gör det möjligt för laboratorier att fokusera direkt på forskning och utveckla nya strategier för att förnya snabbare", säger Microsoft-forskaren Bihlin Nguyen.
Team från Laboratory of Molecular Information Systems (MISL) har redan visat att den kan lagra fotografier av katter, underbara litteraturverk, och arkiverade DNA-poster och extrahera dessa filer utan fel. Hittills har de kunnat lagra 1 gigabyte data i DNA, slår .
Forskare har också utvecklat metoder för som att bara hitta och hämta bilder som innehåller ett äpple eller en grön cykel med hjälp av själva molekylerna, utan att konvertera tillbaka filerna till digitalt format.
”Det är säkert att säga att vi bevittnar födelsen av en ny typ av datorsystem, där molekyler används för datalagring och elektronik för kontroll och bearbetning. Den här kombinationen öppnar för mycket intressanta möjligheter för framtiden, säger Allen School-professorn vid University of Washington. .
Till skillnad från kiselbaserade datorsystem måste DNA-baserade lagrings- och datorsystem använda vätskor för att flytta molekyler. Men vätskor är till sin natur annorlunda än elektroner och kräver helt nya tekniska lösningar.
Teamet från University of Washington, i samarbete med Microsoft, utvecklar också ett programmerbart system som automatiserar laboratorieexperiment genom att använda egenskaperna hos elektricitet och vatten för att flytta droppar på ett rutnät av elektroder. En komplett uppsättning mjukvara och hårdvara kallas , kan blanda, separera, värma eller kyla olika vätskor och utföra laboratorieprotokoll.
Målet är att automatisera laboratorieexperiment som för närvarande utförs manuellt eller av dyra vätskehanteringsrobotar och minska kostnaderna.
Nästa steg för MISL-teamet inkluderar att integrera ett enkelt, helt automatiskt system med teknologier som Purple Drop, såväl som andra teknologier som möjliggör sökning av DNA-molekyler. Forskarna gjorde medvetet sitt automatiserade system modulärt så att det kunde utvecklas i takt med att ny teknik för DNA-syntes, sekvensering och manipulation uppstod.
"En av fördelarna med det här systemet är att om vi vill ersätta en av delarna med något nytt, bättre eller snabbare, kan vi bara koppla in den nya delen," sa Nguyen. "Detta ger oss mer flexibilitet för framtiden."
Översta bilden: Forskare från Microsoft och University of Washington spelade in och räknade ordet "hallå", med det första helautomatiska DNA-datalagringssystemet. Detta är ett viktigt steg i att flytta ny teknik från laboratorier till kommersiella datacenter.
Källa: will.com