微軟和華盛頓大學的研究人員展示了第一個全自動、可讀的人工 DNA 資料儲存系統。 這是將新技術從研究實驗室轉移到商業資料中心的關鍵一步。
開發人員透過一個簡單的測試證明了這個概念：他們成功地將「hello」這個詞編碼成合成 DNA 分子的片段，並使用全自動端到端系統將其轉換回數位數據，這在 ，發表於 21 月 XNUMX 日《自然科學報告》。
DNA分子可以以非常高的密度儲存數位訊息，即在比現代資料中心佔用的實體空間小許多數量級的實體空間中。 它是儲存世界每天產生的大量數據的有前途的解決方案之一，這些數據從業務記錄和可愛動物的影片到來自太空的醫學照片和圖像。
微軟正在探索彌合兩者之間潛在差距的方法 我們想要保護它們，以及我們保護它們的能力。 這些方法包括演算法和分子計算技術的開發 。 這將使儲存在大型現代資料中心中的所有資訊能夠容納在大約幾個骰子大小的空間中。
“我們的主要目標是將一個系統投入生產，對於最終用戶而言，該系統看起來幾乎與任何其他雲端儲存系統相同：資訊被發送到資料中心並儲存在那裡，然後在客戶需要時出現”，微軟高級研究員Karin Strauss 說。 “為此，我們需要證明它從自動化角度來看具有實際意義。”
這些資訊儲存在實驗室創建的合成 DNA 分子中，而不是人類或其他生物的 DNA 中，並且可以在發送到系統之前進行加密。 儘管合成器和定序儀等複雜機器已經執行了該過程的關鍵部分，但許多中間步驟到目前為止還需要在研究實驗室中進行手動操作。 「它不適合商業用途，」USF 保羅艾倫電腦科學與工程學院高級研究員 Chris Takahashi 表示（).
「你不能讓人們拿著移液器在資料中心周圍跑來跑去，這很容易出現人為錯誤，成本太高，而且佔用太多空間，」高橋解釋道。
為了使這種資料儲存方法在商業上有意義，必須降低 DNA 合成（創建有意義序列的基本建構模組）和讀取儲存資訊所需的定序過程的成本。 研究人員稱這是方向 .
微軟研究人員表示，自動化是這個難題的另一個關鍵部分，它使資料儲存達到商業規模並且更便宜。
在某些條件下，DNA 的保存時間比現代檔案儲存系統長得多，現代檔案儲存系統會在幾十年內退化。 有些DNA在不太理想的條件下成功存活了數萬年——在猛獁象牙和早期人類的骨骼中。 這意味著只要人類存在，資料就可以以這種方式儲存。
自動化 DNA 儲存系統使用微軟和華盛頓大學 (UW) 開發的軟體。 它將數字資料的 XNUMX 和 XNUMX 轉換為核苷酸序列（A、T、C 和 G），這是 DNA 的「構建塊」。 然後，該系統使用廉價且大多是現成的實驗室設備向合成器提供必要的液體和試劑，合成器收集製造的 DNA 片段並將其放入儲存容器中。
當系統需要提取資訊時，它會添加其他化學物質來正確準備DNA，並使用微流體泵將流體推入系統的各個部分，這些部分讀取DNA 分子的序列並將其轉換回計算機可以理解的信息。 研究人員表示，該計畫的目標不是證明該系統可以快速或廉價地工作，而只是證明自動化是可能的。
自動化 DNA 儲存系統最明顯的好處之一是，它使科學家能夠自由地解決複雜的問題，而無需浪費時間尋找試劑瓶或將液體滴入試管的單調操作。
微軟研究員 Bihlin Nguyen 表示：“擁有一個自動化系統來完成重複性工作，使實驗室能夠直接專注於研究並製定新策略以加快創新速度。”
分子資訊系統實驗室團隊 （MISL）已經證明它可以儲存貓的照片、精彩的文學作品、 並存檔 DNA 記錄並毫無錯誤地提取這些文件。 迄今為止，他們已經能夠在 DNA 中儲存 1 GB 的數據，擊敗了 .
研究人員也開發了方法 例如使用分子本身來尋找和檢索包含蘋果或綠色自行車的影像，而不將檔案轉換回數位格式。
「可以肯定地說，我們正在見證一種新型電腦系統的誕生，其中分子用於數據存儲，電子設備用於控制和處理。 這種結合為未來開闢了非常有趣的可能性，」華盛頓大學艾倫學院教授說。 .
與基於矽的計算系統不同，基於 DNA 的儲存和計算系統必須使用流體來移動分子。 但液體本質上與電子不同，需要全新的技術解決方案。
華盛頓大學團隊也與微軟合作開發可程式系統，透過利用電力和水的特性使電極網格上的液滴移動，從而實現實驗室實驗的自動化。 一套完整的軟體和硬體稱為 ，可以混合、分離、加熱或冷卻各種液體並執行實驗室方案。
目標是使目前由手動或昂貴的液體處理機器人執行的實驗室實驗自動化，並降低成本。
MISL 團隊的後續步驟包括將簡單的端對端自動化系統與 Purple Drop 等技術以及其他能夠搜尋 DNA 分子的技術整合。 研究人員特意將他們的自動化系統模組化，以便隨著 DNA 合成、定序和操作新技術的出現而不斷發展。
「該系統的好處之一是，如果我們想用新的、更好或更快的東西替換其中一個零件，我們只需插入新零件即可，」Nguyen 說。 “這為我們的未來提供了更大的靈活性。”
上圖：微軟和華盛頓大學的研究人員記錄並統計了“你好”，使用第一個全自動 DNA 資料儲存系統。 這是將新技術從實驗室轉移到商業資料中心的關鍵一步。
來源： www.habr.com