Các nhà nghiên cứu từ Microsoft và Đại học Washington đã trình diễn hệ thống lưu trữ dữ liệu có thể đọc được, hoàn toàn tự động đầu tiên dành cho DNA được tạo ra nhân tạo. Đây là bước quan trọng hướng tới việc chuyển công nghệ mới từ phòng thí nghiệm nghiên cứu sang trung tâm dữ liệu thương mại.
Các nhà phát triển đã chứng minh khái niệm này bằng một thử nghiệm đơn giản: họ mã hóa thành công từ "xin chào" thành các đoạn của phân tử DNA tổng hợp và chuyển đổi nó trở lại thành dữ liệu số bằng hệ thống đầu cuối hoàn toàn tự động, được mô tả trong , được xuất bản ngày 21 tháng XNUMX trên tạp chí Nature Scientific Reports.
Các phân tử DNA có thể lưu trữ thông tin kỹ thuật số ở mật độ rất cao, nghĩa là trong không gian vật lý nhỏ hơn nhiều so với không gian mà các trung tâm dữ liệu hiện đại chiếm giữ. Đây là một trong những giải pháp đầy hứa hẹn để lưu trữ lượng dữ liệu khổng lồ mà thế giới tạo ra hàng ngày, từ hồ sơ kinh doanh và video về các loài động vật dễ thương đến các bức ảnh và hình ảnh y tế từ không gian.
Microsoft đang khám phá những cách để thu hẹp khoảng cách tiềm năng giữa và chúng tôi muốn bảo tồn, cũng như khả năng của chúng tôi để bảo tồn chúng. Những phương pháp này bao gồm việc phát triển các thuật toán và công nghệ điện toán phân tử cho . Điều này sẽ cho phép tất cả thông tin được lưu trữ trong một trung tâm dữ liệu hiện đại lớn có thể vừa với một không gian có kích thước gần bằng một vài viên xúc xắc.
“Mục tiêu chính của chúng tôi là đưa vào sản xuất một hệ thống trông gần giống như bất kỳ hệ thống lưu trữ đám mây nào khác đối với người dùng cuối: thông tin được gửi đến trung tâm dữ liệu và lưu trữ ở đó, sau đó nó chỉ xuất hiện khi khách hàng cần. ,” nhà nghiên cứu Sr. Microsoft Karin Strauss cho biết. “Để làm được điều này, chúng tôi cần chứng minh rằng nó có ý nghĩa thực tế từ góc độ tự động hóa.”
Thông tin được lưu trữ trong các phân tử DNA tổng hợp được tạo ra trong phòng thí nghiệm, chứ không phải trong DNA của con người hoặc các sinh vật sống khác và có thể được mã hóa trước khi gửi đến hệ thống. Mặc dù các máy móc phức tạp như máy tổng hợp và máy giải trình tự đã thực hiện các phần quan trọng của quy trình, nhưng cho đến nay, nhiều bước trung gian vẫn yêu cầu lao động thủ công trong phòng thí nghiệm nghiên cứu. Chris Takahashi, nhà nghiên cứu cấp cao tại Trường Khoa học và Kỹ thuật Máy tính Paul Allen tại USF, cho biết: “Nó không phù hợp cho mục đích thương mại”.).
Takahashi giải thích: “Bạn không thể để mọi người chạy quanh trung tâm dữ liệu bằng pipet, nó rất dễ xảy ra lỗi của con người, quá đắt và chiếm quá nhiều không gian”.
Để phương pháp lưu trữ dữ liệu này có ý nghĩa về mặt thương mại, chi phí của cả quá trình tổng hợp DNA—tạo ra các khối xây dựng cơ bản của các chuỗi có ý nghĩa—và quy trình giải trình tự cần thiết để đọc thông tin được lưu trữ phải giảm xuống. Các nhà nghiên cứu cho rằng đây là hướng .
Theo các nhà nghiên cứu của Microsoft, tự động hóa là một phần quan trọng khác của câu đố, giúp việc lưu trữ dữ liệu ở quy mô thương mại và giá cả phải chăng hơn.
Trong những điều kiện nhất định, DNA có thể tồn tại lâu hơn nhiều so với các hệ thống lưu trữ lưu trữ hiện đại vốn bị thoái hóa qua nhiều thập kỷ. Một số DNA đã cố gắng tồn tại trong những điều kiện kém lý tưởng trong hàng chục nghìn năm—trong ngà voi ma mút và trong xương của con người sơ khai. Điều này có nghĩa là dữ liệu có thể được lưu trữ theo cách này chừng nào nhân loại còn tồn tại.
Hệ thống lưu trữ DNA tự động sử dụng phần mềm do Microsoft và Đại học Washington (UW) phát triển. Nó chuyển đổi các số 1 và 0 của dữ liệu số thành các chuỗi nucleotide (A, T, C và G), là “khối xây dựng” của DNA. Sau đó, hệ thống này sử dụng các thiết bị thí nghiệm rẻ tiền, hầu hết có sẵn, để cung cấp chất lỏng và thuốc thử cần thiết cho bộ tổng hợp, thu thập các đoạn DNA được chế tạo và đặt chúng vào thùng chứa.
Khi hệ thống cần trích xuất thông tin, nó sẽ bổ sung các hóa chất khác để chuẩn bị DNA đúng cách và sử dụng bơm vi lỏng để đẩy chất lỏng vào các bộ phận của hệ thống để đọc trình tự phân tử DNA và chuyển đổi chúng thành thông tin mà máy tính có thể hiểu được. Các nhà nghiên cứu cho biết mục tiêu của dự án không phải là chứng minh rằng hệ thống có thể hoạt động nhanh hay rẻ mà chỉ đơn giản là chứng minh rằng tự động hóa là có thể.
Một trong những lợi ích rõ ràng nhất của hệ thống lưu trữ DNA tự động là nó giúp các nhà khoa học giải quyết các vấn đề phức tạp mà không mất thời gian tìm kiếm chai thuốc thử hay sự đơn điệu khi thêm từng giọt chất lỏng vào ống nghiệm.
Nhà nghiên cứu Bihlin Nguyen của Microsoft cho biết: “Việc có một hệ thống tự động thực hiện các công việc lặp đi lặp lại cho phép các phòng thí nghiệm tập trung trực tiếp vào nghiên cứu và phát triển các chiến lược mới để đổi mới nhanh hơn”.
Nhóm từ Phòng thí nghiệm Hệ thống thông tin phân tử (MISL) đã chứng minh rằng nó có thể lưu trữ những bức ảnh về mèo, những tác phẩm văn học tuyệt vời, và lưu trữ các bản ghi DNA và trích xuất các tệp này mà không có lỗi. Đến nay, họ đã có thể lưu trữ 1 gigabyte dữ liệu trong DNA, đánh bại .
Các nhà nghiên cứu cũng đã phát triển các phương pháp chẳng hạn như chỉ tìm và truy xuất các hình ảnh có chứa một quả táo hoặc một chiếc xe đạp màu xanh lá cây bằng cách sử dụng chính các phân tử mà không chuyển đổi các tệp trở lại định dạng kỹ thuật số.
“Có thể nói rằng chúng ta đang chứng kiến sự ra đời của một loại hệ thống máy tính mới, trong đó các phân tử được sử dụng để lưu trữ dữ liệu và các thiết bị điện tử để điều khiển và xử lý. Sự kết hợp này mở ra những khả năng rất thú vị cho tương lai”, giáo sư trường Allen thuộc Đại học Washington cho biết. .
Không giống như các hệ thống máy tính dựa trên silicon, hệ thống lưu trữ và tính toán dựa trên DNA phải sử dụng chất lỏng để di chuyển các phân tử. Nhưng chất lỏng có bản chất khác với điện tử và đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật hoàn toàn mới.
Nhóm của Đại học Washington, phối hợp với Microsoft, cũng đang phát triển một hệ thống lập trình tự động hóa các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng các đặc tính của điện và nước để di chuyển các giọt trên mạng lưới điện cực. Một bộ phần mềm và phần cứng hoàn chỉnh được gọi là , có thể trộn, tách, làm nóng hoặc làm mát các chất lỏng khác nhau và thực hiện các quy trình trong phòng thí nghiệm.
Mục tiêu là tự động hóa các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm hiện đang được thực hiện thủ công hoặc bằng robot xử lý chất lỏng đắt tiền và giảm chi phí.
Các bước tiếp theo của nhóm MISL bao gồm tích hợp một hệ thống tự động đơn giản, toàn diện với các công nghệ như Purple Drop, cũng như các công nghệ khác cho phép tìm kiếm phân tử DNA. Các nhà nghiên cứu đã cố tình tạo ra hệ thống tự động theo mô-đun để nó có thể phát triển khi các công nghệ mới về tổng hợp, giải trình tự và thao tác DNA xuất hiện.
“Một trong những ưu điểm của hệ thống này là nếu chúng tôi muốn thay thế một trong các bộ phận bằng thứ gì đó mới, tốt hơn hoặc nhanh hơn, chúng tôi chỉ cần cắm bộ phận mới vào,” Nguyên nói. “Điều này giúp chúng tôi linh hoạt hơn cho tương lai.”
Hình ảnh trên cùng: Các nhà nghiên cứu của Microsoft và Đại học Washington đã ghi lại và đếm từ "xin chào", sử dụng hệ thống lưu trữ dữ liệu DNA hoàn toàn tự động đầu tiên. Đây là bước quan trọng trong việc chuyển công nghệ mới từ phòng thí nghiệm sang trung tâm dữ liệu thương mại.
Nguồn: www.habr.com