微软和华盛顿大学的研究人员展示了第一个全自动、可读的人工 DNA 数据存储系统。 这是将新技术从研究实验室转移到商业数据中心的关键一步。
开发人员通过一个简单的测试证明了这个概念：他们成功地将“hello”这个词编码成合成 DNA 分子的片段，并使用全自动端到端系统将其转换回数字数据，这在 ，发表于 21 月 XNUMX 日《自然科学报告》。
DNA分子可以以非常高的密度存储数字信息，即在比现代数据中心占用的物理空间小许多数量级的物理空间中。 它是存储世界每天产生的大量数据的有前途的解决方案之一，这些数据从业务记录和可爱动物的视频到来自太空的医学照片和图像。
微软正在探索弥合两者之间潜在差距的方法 我们想要保护它们，以及我们保护它们的能力。 这些方法包括算法和分子计算技术的开发 。 这将使存储在大型现代数据中心中的所有信息能够容纳在大约几个骰子大小的空间中。
“我们的主要目标是推出一个系统，对于最终用户来说，它看起来几乎与任何其他云存储系统相同：信息被发送到数据中心并存储在那里，然后在客户需要时出现， ”微软高级研究员 Karin Strauss 说道。 “为此，我们需要证明它从自动化角度来看具有实际意义。”
这些信息存储在实验室创建的合成 DNA 分子中，而不是人类或其他生物的 DNA 中，并且可以在发送到系统之前进行加密。 尽管合成器和测序仪等复杂机器已经执行了该过程的关键部分，但许多中间步骤到目前为止还需要在研究实验室中进行手工操作。 “它不适合商业用途，”USF 保罗·艾伦计算机科学与工程学院高级研究员 Chris Takahashi 表示（).
“你不能让人们拿着移液器在数据中心周围跑来跑去，这很容易出现人为错误，成本太高，而且占用太多空间，”高桥解释道。
为了使这种数据存储方法在商业上有意义，必须降低 DNA 合成（创建有意义序列的基本构建模块）和读取存储信息所需的测序过程的成本。 研究人员称这是方向 .
微软研究人员表示，自动化是这个难题的另一个关键部分，它使数据存储达到商业规模并且更便宜。
在某些条件下，DNA 的保存时间比现代档案存储系统要长得多，现代档案存储系统会在几十年内退化。 一些DNA在不太理想的条件下成功存活了数万年——在猛犸象牙和早期人类的骨骼中。 这意味着只要人类存在，数据就可以以这种方式存储。
自动化 DNA 存储系统使用微软和华盛顿大学 (UW) 开发的软件。 它将数字数据的 XNUMX 和 XNUMX 转换为核苷酸序列（A、T、C 和 G），这是 DNA 的“构建块”。 然后，该系统使用廉价且大多是现成的实验室设备向合成器提供必要的液体和试剂，合成器收集制造的 DNA 片段并将其放入存储容器中。
当系统需要提取信息时，它会添加其他化学物质来正确准备 DNA，并使用微流体泵将流体推入系统的各个部分，这些部分读取 DNA 分子的序列并将其转换回计算机可以理解的信息。 研究人员表示，该项目的目标不是证明该系统可以快速或廉价地工作，而只是证明自动化是可能的。
自动化 DNA 存储系统最明显的好处之一是，它使科学家能够自由地解决复杂的问题，而无需浪费时间寻找试剂瓶或将液体滴入试管的单调操作。
微软研究员 Bihlin Nguyen 表示：“拥有一个自动化系统来完成重复性工作，使实验室能够直接专注于研究并制定新策略以加快创新速度。”
分子信息系统实验室团队 （MISL）已经证明它可以存储猫的照片、精彩的文学作品、 并存档 DNA 记录并毫无错误地提取这些文件。 迄今为止，他们已经能够在 DNA 中存储 1 GB 的数据，击败了 .
研究人员还开发了方法 例如使用分子本身查找和检索包含苹果或绿色自行车的图像，而不将文件转换回数字格式。
“可以肯定地说，我们正在见证一种新型计算机系统的诞生，其中分子用于数据存储，电子设备用于控制和处理。 这种结合为未来开辟了非常有趣的可能性，”华盛顿大学艾伦学院教授说。 .
与基于硅的计算系统不同，基于 DNA 的存储和计算系统必须使用流体来移动分子。 但液体本质上与电子不同，需要全新的技术解决方案。
华盛顿大学团队还与微软合作开发一种可编程系统，通过利用电和水的特性使电极网格上的液滴移动，从而实现实验室实验的自动化。 一套完整的软件和硬件称为 ，可以混合、分离、加热或冷却各种液体并执行实验室方案。
目标是使目前由手动或昂贵的液体处理机器人执行的实验室实验实现自动化，并降低成本。
MISL 团队的后续步骤包括将简单的端到端自动化系统与 Purple Drop 等技术以及其他能够搜索 DNA 分子的技术相集成。 研究人员特意将他们的自动化系统模块化，以便随着 DNA 合成、测序和操作新技术的出现而不断发展。
“该系统的好处之一是，如果我们想用新的、更好或更快的东西替换其中一个零件，我们只需插入新零件即可，”Nguyen 说。 “这为我们的未来提供了更大的灵活性。”
上图：微软和华盛顿大学的研究人员记录并统计了“hello ”，使用第一个全自动 DNA 数据存储系统。 这是将新技术从实验室转移到商业数据中心的关键一步。
来源： habr.com