Para peneliti di Microsoft dan University of Washington telah mendemonstrasikan sistem DNA read-only sepenuhnya otomatis pertama dalam DNA yang dibuat secara buatan. Ini adalah langkah kunci menuju pemindahan teknologi baru dari laboratorium penelitian ke pusat data komersial.
Para pengembang mengkonfirmasi konsep tersebut dengan tes sederhana: mereka berhasil menyandikan kata "halo" dalam fragmen molekul DNA sintetik dan mengubahnya kembali menjadi data digital menggunakan sistem end-to-end yang sepenuhnya otomatis, yang dijelaskan dalam artikel yang diterbitkan pada 21 Maret di Nature Scientific Reports.
Artikel ini ada di situs kami.Dalam molekul DNA, Anda dapat menyimpan informasi digital dengan kepadatan yang sangat tinggi, yaitu di ruang fisik, yang banyak urutan besarnya lebih kecil daripada yang dihuni pusat data modern. Ini adalah salah satu solusi yang menjanjikan untuk menyimpan sejumlah besar data yang dihasilkan dunia setiap hari, dari catatan bisnis dan video dengan hewan lucu hingga gambar medis dan gambar dari luar angkasa.
Microsoft sedang menjajaki cara untuk menjembatani kesenjangan potensial antara jumlah data yang kami hasilkan dan ingin simpan dan kemampuan kami untuk menyimpannya. Di antara metode ini adalah pengembangan algoritma komputasi molekuler dan teknologi untuk pengkodean data dalam DNA buatan . Ini akan memungkinkan semua informasi yang disimpan di pusat data modern yang besar masuk ke dalam ruang yang kira-kira sama dengan ukuran beberapa dadu.
"Tujuan utama kami adalah untuk mengoperasikan sistem yang bagi pengguna akhir akan terlihat hampir sama dengan sistem penyimpanan cloud lainnya: informasi dikirim ke pusat data dan disimpan di sana, dan kemudian muncul begitu saja ketika klien membutuhkannya," kata senior Peneliti Microsoft Karin Strauss. "Untuk ini, kami perlu membuktikan bahwa itu masuk akal secara praktis dari sudut pandang otomatisasi."
Informasi disimpan dalam molekul DNA sintetis yang dibuat di laboratorium, dan bukan di DNA manusia atau makhluk hidup lainnya, dan dapat dienkripsi sebelum dikirim ke sistem. Meskipun mesin yang kompleks, seperti synthesizer dan sequencer, sudah melakukan bagian-bagian penting dari proses, banyak langkah menengah masih membutuhkan tenaga kerja manual di laboratorium penelitian. "Ini tidak cocok untuk penggunaan komersial," kata Chris Takahashi, seorang peneliti senior di Sekolah Sains & Teknik Komputer Paul Allen di Universitas Sains dan Teknologi Komputer AS .
"Orang dengan droppers tidak dapat berjalan di sekitar pusat data, dengan pendekatan ini, probabilitas kesalahan manusia terlalu tinggi, terlalu mahal dan membutuhkan terlalu banyak ruang," jelas Takahashi.
Agar metode penyimpanan data ini masuk akal dari sudut pandang komersial, perlu untuk mengurangi biaya sintesis DNA - pembuatan blok bangunan dasar dengan urutan yang bermakna, dan proses pengurutan, yang diperlukan untuk membaca informasi yang tersimpan. Para peneliti mengatakan bahwa ada perkembangan pesat ke arah ini.
Menurut peneliti dari Microsoft, otomatisasi adalah bagian kunci lain dari teka-teki ini, memungkinkan Anda untuk mengatur penyimpanan data pada skala komersial dan membuatnya lebih mudah diakses.
Dalam kondisi tertentu, DNA dapat bertahan lebih lama dari alat penyimpanan arsip modern yang telah hancur selama beberapa dekade. Beberapa DNA berhasil bertahan dalam kondisi yang jauh dari ideal selama puluhan ribu tahun - di gading raksasa dan di tulang manusia purba. Jadi, data dapat disimpan dengan cara ini, selama ada manusia.
Sistem penyimpanan DNA otomatis menggunakan perangkat lunak yang dikembangkan oleh Microsoft dan University of Washington (UW). Ini mengubah satuan dan nol data digital menjadi urutan nukleotida (A, T, C, dan G), yang merupakan "blok bangunan" DNA. Kemudian sistem menggunakan peralatan laboratorium yang murah, sebagian besar standar, untuk memasok cairan dan reagen yang diperlukan ke synthesizer, yang mengumpulkan fragmen DNA yang sudah disiapkan dan menempatkannya di tangki penyimpanan.
Ketika sistem perlu mengekstraksi informasi, ia menambahkan bahan kimia lain untuk mempersiapkan DNA dengan benar dan menggunakan pompa mikofluida untuk mendorong cairan ke bagian-bagian sistem yang membaca urutan molekul DNA dan mengubahnya kembali menjadi informasi yang dapat dibaca oleh komputer. Para peneliti mengatakan bahwa tujuan proyek itu bukan untuk membuktikan bahwa sistem dapat bekerja dengan cepat atau murah, tetapi hanya untuk menunjukkan bahwa otomatisasi mungkin dilakukan.
Salah satu keuntungan yang paling jelas dari sistem penyimpanan DNA otomatis adalah bahwa ia membebaskan para ilmuwan untuk memecahkan masalah yang kompleks, menghilangkan kebutuhan untuk membuang waktu mencari botol reagen atau menambahkan tetes cairan secara monoton ke tabung reaksi.
"Memiliki sistem otomatis untuk melakukan pekerjaan berulang memungkinkan staf laboratorium untuk melakukan penelitian secara langsung, mengembangkan strategi baru untuk berinovasi lebih cepat," kata peneliti Microsoft Bihlin Nguyen.
Sebuah tim dari Laboratorium Sistem Informasi Molekuler Lab (MISL) Sistem Informasi Molekuler telah menunjukkan bahwa mereka dapat menyimpan foto kucing, karya sastra yang luar biasa, video dan catatan arsip dalam DNA dan mengekstrak file-file ini tanpa kesalahan. Sampai saat ini, mereka telah dapat menyimpan 1 gigabyte data dalam DNA, memecahkan rekor dunia sebelumnya 200 MB .
Para peneliti juga mengembangkan metode untuk melakukan perhitungan yang bermakna , seperti mencari dan mengambil hanya gambar yang memiliki apel atau sepeda hijau, menggunakan molekul sendiri untuk melakukan ini, tanpa mengubah file kembali ke format digital.
“Aman untuk mengatakan bahwa kita menyaksikan kelahiran sistem komputer tipe baru di mana molekul digunakan untuk menyimpan data, dan elektronik digunakan untuk kontrol dan pemrosesan. Kombinasi ini membuka peluang yang sangat menarik untuk masa depan, ”kata Louis Sese, seorang profesor di Allen School of Washington University.
Tidak seperti sistem komputasi berbasis silikon, sistem penyimpanan dan komputasi berbasis DNA harus menggunakan cairan untuk memindahkan molekul. Tetapi cairan pada dasarnya berbeda dari elektron dan membutuhkan solusi teknis yang sama sekali baru.
Tim University of Washington, bekerja sama dengan Microsoft, juga mengembangkan sistem yang dapat diprogram yang mengotomatiskan eksperimen laboratorium menggunakan sifat-sifat listrik dan air untuk memindahkan tetesan pada jaringan elektroda. Rangkaian lengkap perangkat lunak dan perangkat keras, yang dikenal sebagai Puddle dan PurpleDrop , dapat mencampur, memisahkan, memanaskan, atau mendinginkan berbagai cairan dan menjalankan protokol laboratorium.
Tujuannya adalah untuk mengotomatiskan eksperimen laboratorium yang saat ini sedang dilakukan secara manual atau oleh robot penanganan cair yang mahal dan mengurangi biaya.
Langkah-langkah selanjutnya untuk tim MISL termasuk mengintegrasikan sistem otomatis ujung ke ujung sederhana dengan teknologi seperti Purple Drop, serta teknologi lain yang memungkinkan Anda mencari dalam molekul DNA. Para peneliti secara khusus membuat modular sistem otomatis mereka sehingga dapat berkembang sebagai teknologi baru untuk sintesis DNA, pengurutan, dan kerja DNA.
"Salah satu kelebihan sistem ini adalah jika kita ingin mengganti salah satu bagian dengan sesuatu yang baru, lebih baik atau lebih cepat, kita bisa menghubungkan bagian baru," kata Nguyen. "Ini memberi kita fleksibilitas besar untuk masa depan."
Gambar atas: Para peneliti di Microsoft dan University of Washington mencatat dan membaca kata halo menggunakan sistem penyimpanan data DNA otomatis pertama. Ini adalah langkah kunci dalam mentransfer teknologi baru dari laboratorium ke pusat data komersial.