Forscher von Microsoft und der University of Washington haben das erste vollautomatische schreibgeschützte DNA-System in künstlich erzeugter DNA demonstriert. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Verlagerung neuer Technologien von Forschungslabors in kommerzielle Rechenzentren.
Die Entwickler bestätigten das Konzept mit einem einfachen Test: Sie codierten das Wort „Hallo“ erfolgreich in Fragmenten eines synthetischen DNA-Moleküls und wandelten es mithilfe eines vollautomatisierten End-to-End-Systems, das in einem am 21. März in Nature Scientific Reports veröffentlichten Artikel beschrieben wird, wieder in digitale Daten um.
Dieser Artikel befindet sich auf unserer Website.In DNA-Molekülen können Sie digitale Informationen mit einer sehr hohen Dichte speichern, dh im physischen Raum, der viele Größenordnungen kleiner ist als in modernen Rechenzentren. Dies ist eine der vielversprechenden Lösungen zum Speichern einer riesigen Datenmenge, die die Welt jeden Tag generiert, von Geschäftsunterlagen und Videos mit niedlichen Tieren bis hin zu medizinischen Bildern und Bildern aus dem Weltraum.
Microsoft sucht nach Möglichkeiten, um die potenzielle Lücke zwischen der Menge an Daten, die wir produzieren und speichern möchten, und unserer Fähigkeit, sie zu speichern, zu schließen. Zu diesen Methoden gehört die Entwicklung molekularer Computeralgorithmen und -technologien zur Codierung von Daten in künstlicher DNA . Dies würde es ermöglichen, dass alle in einem großen modernen Rechenzentrum gespeicherten Informationen in einen Raum passen, der ungefähr der Größe mehrerer Würfel entspricht.
„Unser Hauptziel ist es, ein System in Betrieb zu nehmen, das für den Endbenutzer fast genauso aussieht wie jedes andere Cloud-Speichersystem: Informationen werden an das Rechenzentrum gesendet und dort gespeichert und erscheinen dann einfach, wenn der Kunde sie benötigt“, sagt der Senior Microsoft-Forscherin Karin Strauss. „Dafür mussten wir beweisen, dass es aus Sicht der Automatisierung praktisch sinnvoll ist.“
Informationen werden in synthetischen DNA-Molekülen gespeichert, die im Labor erstellt wurden, und nicht in der DNA von Menschen oder anderen Lebewesen. Sie können verschlüsselt werden, bevor sie an das System gesendet werden. Obwohl komplexe Maschinen wie Synthesizer und Sequenzer bereits wichtige Teile des Prozesses ausführen, erforderten viele der Zwischenschritte noch manuelle Arbeit im Forschungslabor. "Dies ist nicht für den kommerziellen Gebrauch geeignet", sagte Chris Takahashi, Senior Fellow an der Paul Allen School für Informatik und Ingenieurwesen an der US-amerikanischen Universität für Informatik und Technologie.
"Menschen mit Tropfern können nicht im Rechenzentrum herumlaufen. Bei diesem Ansatz ist die Wahrscheinlichkeit menschlicher Fehler zu hoch, zu teuer und erfordert zu viel Platz", erklärte Takahashi.
Damit diese Methode der Datenspeicherung aus kommerzieller Sicht sinnvoll ist, müssen die Kosten sowohl für die DNA-Synthese - die Erstellung grundlegender Bausteine mit aussagekräftigen Sequenzen als auch für den Sequenzierungsprozess, der zum Lesen gespeicherter Informationen erforderlich ist, gesenkt werden. Forscher sagen, dass es eine schnelle Entwicklung in diese Richtung gibt.
Laut Forschern von Microsoft ist die Automatisierung ein weiterer wichtiger Bestandteil dieses Puzzles, mit dem Sie die Datenspeicherung im kommerziellen Maßstab organisieren und zugänglicher machen können.
Unter bestimmten Bedingungen kann DNA viel länger halten als moderne Archivierungswerkzeuge, die seit Jahrzehnten zerstört wurden. Einige DNAs überlebten Zehntausende von Jahren unter Bedingungen, die alles andere als ideal waren - in den Mammutstoßzähnen und in den Knochen früher Menschen. Auf diese Weise können Daten gespeichert werden, solange die Menschheit existiert.
Das automatisierte DNA-Speichersystem verwendet Software, die von Microsoft und der University of Washington (UW) entwickelt wurde. Es wandelt die Einheiten und Nullen digitaler Daten in Nukleotidsequenzen (A, T, C und G) um, die die „Bausteine“ der DNA sind. Anschließend verwendet das System kostengünstige, meist standardmäßige Laborgeräte, um dem Synthesizer die erforderlichen Flüssigkeiten und Reagenzien zuzuführen, der die vorbereiteten DNA-Fragmente sammelt und in einen Lagertank legt.
Wenn das System Informationen extrahieren muss, fügt es andere Chemikalien hinzu, um die DNA ordnungsgemäß vorzubereiten, und verwendet Mikrofluidikpumpen, um Flüssigkeiten in die Teile des Systems zu drücken, die die Sequenzen von DNA-Molekülen lesen und sie wieder in computerlesbare Informationen umwandeln. Forscher sagen, dass das Ziel des Projekts nicht darin bestand, zu beweisen, dass das System schnell oder kostengünstig arbeiten kann, sondern lediglich zu zeigen, dass Automatisierung möglich ist.
Einer der offensichtlichsten Vorteile eines automatisierten DNA-Speichersystems besteht darin, dass Wissenschaftler komplexe Probleme lösen können, ohne Zeit für die Suche nach Reagenzflaschen oder für die monotone Zugabe von Flüssigkeitstropfen zu Reagenzgläsern verschwenden zu müssen.
"Mit einem automatisierten System zur Durchführung sich wiederholender Arbeiten können Labormitarbeiter direkt forschen und neue Strategien für schnellere Innovationen entwickeln", sagte der Microsoft-Forscher Bihlin Nguyen.
Das Team des Molecular Information Systems Lab (MISL) hat bereits gezeigt, dass es Katzenfotos, großartige literarische Werke, Videos und Archivaufzeichnungen in DNA speichern und diese Dateien fehlerfrei abrufen kann. Bisher konnten sie 1 Gigabyte Daten in DNA speichern und damit den bisherigen Weltrekord von 200 MB brechen.
Die Forscher entwickelten auch Methoden zur Durchführung aussagekräftiger Berechnungen , z. B. zum Suchen und Abrufen nur von Bildern mit einem Apfel oder einem grünen Fahrrad, wobei die Moleküle selbst verwendet wurden, ohne die Dateien wieder in ein digitales Format zu konvertieren.
„Man kann mit Sicherheit sagen, dass wir die Geburt eines neuartigen Computersystems erleben, in dem Moleküle zum Speichern von Daten und Elektronik zur Steuerung und Verarbeitung verwendet werden. Diese Kombination eröffnet sehr interessante Möglichkeiten für die Zukunft “, sagte Louis Sese, Professor an der Allen School der Washington University.
Im Gegensatz zu Computersystemen auf Siliziumbasis müssen Speicher- und Computersysteme auf DNA-Basis Flüssigkeiten verwenden, um Moleküle zu bewegen. Flüssigkeiten unterscheiden sich jedoch von Natur aus von Elektronen und erfordern völlig neue technische Lösungen.
Das Team der University of Washington entwickelt in Zusammenarbeit mit Microsoft ein programmierbares System, das Laborexperimente mithilfe der Eigenschaften von Strom und Wasser automatisiert, um Tröpfchen auf einem Elektrodengitter zu bewegen. Die gesamte Palette an Software und Hardware, bekannt als Puddle und PurpleDrop , kann verschiedene Flüssigkeiten mischen, trennen, erhitzen oder kühlen und Laborprotokolle ausführen.
Ziel ist es, Laborexperimente, die derzeit manuell oder mit teuren Liquid-Handling-Robotern durchgeführt werden, zu automatisieren und Kosten zu senken.
Die nächsten Schritte für das MISL-Team umfassen die Integration eines einfachen durchgängigen automatisierten Systems in Technologien wie Purple Drop sowie andere Technologien, mit denen Sie in DNA-Molekülen suchen können. Forscher haben ihr automatisiertes System speziell modularisiert, damit es sich als neue Technologien für die DNA-Synthese, -Sequenzierung und -DNA-Arbeit weiterentwickeln kann.
"Einer der Vorteile dieses Systems ist, dass wir, wenn wir eines der Teile durch etwas Neues, Besseres oder Schnelleres ersetzen möchten, einfach ein neues Teil anschließen können", sagte Nguyen. "Es gibt uns große Flexibilität für die Zukunft."
Oberes Bild: Forscher von Microsoft und der University of Washington haben das Wort Hallo mit dem ersten vollautomatischen DNA-Datenspeichersystem aufgezeichnet und gelesen . Dies ist ein wichtiger Schritt beim Transfer neuer Technologien von Labors in kommerzielle Rechenzentren.