マイクロソフトとワシントン大学の研究者は、人工的に作成されたDNAで最初の完全に自動化された読み取り専用DNAシステムを実証しました。 これは、新しい技術を研究所から商業データセンターに移行するための重要なステップです。
開発者は簡単なテストでコンセプトを確認しました：合成DNA分子の断片に「hello」という単語をエンコードし、完全に自動化されたエンドツーエンドシステムを使用してデジタルデータに変換しました。
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DNA分子では、デジタル情報を非常に高い密度で、つまり、現代のデータセンターが占めるよりも桁違いに小さい物理空間に保存できます。 これは、かわいい動物のビジネス記録やビデオから医療画像や宇宙の画像に至るまで、世界が毎日生成する膨大なデータを保存するための有望なソリューションの1つです。
マイクロソフトは、私たちが作成し保存したいデータの量と保存する能力との間の潜在的なギャップを埋める方法を模索しています。 これらの方法の中には、 人工のDNAのデータをコード化するための分子計算アルゴリズムと技術の開発があります。 これにより、大規模で近代的なデータセンターに保存されているすべての情報が、いくつかのサイコロのサイズにほぼ等しいスペースに収まるようになります。
「当社の主な目標は、エンドユーザーにとって、他のクラウドストレージシステムとほとんど同じように見えるシステムを運用することです。情報はデータセンターに送信され、そこに保存されます。マイクロソフトの研究者Karin Strauss。 「このために、自動化の観点から実用的であることを証明する必要がありました。」
情報は、人間や他の生物のDNAではなく、実験室で作成された合成DNA分子に保存され、システムに送信される前に暗号化できます。 シンセサイザーやシーケンサーなどの複雑なマシンはすでにプロセスの重要な部分を実行しますが、多くの中間ステップでは依然として研究室で手作業が必要でした。 「これは商用利用には適していません」と、米国大学のポールアレンコンピューターサイエンスアンドエンジニアリングスクール （ ポールG.アレンコンピューターサイエンス＆エンジニアリングスクール ）のシニアフェロー、クリスタカハシは言いました。
「ドロッパーを持っている人はデータセンターを走り回ることができません。このアプローチでは、人為的エラーの可能性が高すぎ、費用がかかりすぎ、スペースが必要です」と高橋は説明しました。
このデータストレージの方法が商業的な観点から理にかなっているためには、DNA合成のコストを削減する必要があります-重要なシーケンスを持つ基本的なビルディングブロックの作成、および格納された情報を読み取るために必要なシーケンスプロセス。 研究者は、この方向に急速な発展があると言います。
マイクロソフトの研究者によると、自動化はこのパズルのもう1つの重要な部分であり、商業規模でデータストレージを整理し、アクセスしやすくすることができます。
特定の条件下では、DNAは数十年にわたって破壊されてきた現代のアーカイブストレージツールよりもはるかに長く存在する可能性があります。 一部のDNAは、マンモスの牙や初期の人間の骨など、数万年にわたって理想からかけ離れた状態で生き延びました。 したがって、人類が存在する限り、この方法でデータを保存できます。
自動化されたDNAストレージシステムは、マイクロソフトとワシントン大学（UW）が開発したソフトウェアを使用しています。 デジタルデータの単位とゼロを、DNAの「ビルディングブロック」であるヌクレオチドシーケンス（A、T、C、およびG）に変換します。 次に、システムは、安価な、ほとんど標準的な実験装置を使用して、必要な液体と試薬を合成装置に供給し、合成装置は準備されたDNA断片を収集し、貯蔵タンクに入れます。
システムが情報を抽出する必要がある場合、他の化学物質を追加してDNAを適切に準備し、マイクロ流体ポンプを使用して、DNA分子のシーケンスを読み取り、コンピューターで読み取り可能な情報に変換するシステムの部分に液体を押し込みます。 研究者によると、このプロジェクトの目標は、システムが迅速または安価に機能することを証明することではなく、単に自動化が可能であることを示すことでした。
自動化されたDNAストレージシステムの最も明白な利点の1つは、科学者が複雑な問題を解決できるため、試薬ボトルを探したり、試験管に液体を単調に追加する時間を費やす必要がないことです。
「反復作業を実行するための自動化されたシステムを使用することで、研究所のスタッフは直接研究を行い、より迅速に革新するための新しい戦略を開発できます」とマイクロソフトの研究者Bihlin Nguyen氏は述べています。
Molecular Information Systems Lab （MISL） Molecular Information Systems Laboratoryのチームは、ネコの写真、素晴らしい文学作品、 ビデオ 、アーカイブ記録をDNAに保存し、エラーなくこれらのファイルを抽出できることをすでに実証しています。 これまでに、彼らはDNAに1ギガバイトのデータを保存することができ、200 MBの以前の世界記録を破りました。
また、研究者は、ファイルをデジタル形式に変換せずに、分子自体を使用してこれを行うリンゴまたは緑の自転車の画像のみを検索および取得するなど、 意味のある計算を実行する方法を開発しました。
「分子を使用してデータを保存し、電子機器を使用して制御と処理を行う新しいタイプのコンピューターシステムの誕生を目の当たりにしていると言っても過言ではありません。 この組み合わせにより、将来に非常に興味深い機会が開かれます」と、ワシントン大学のアレンスクールの教授であるLouis Sese氏は述べています。
シリコンベースのコンピューティングシステムとは異なり、DNAベースのストレージおよびコンピューティングシステムは液体を使用して分子を移動させる必要があります。 しかし、液体は本質的に電子とは異なり、まったく新しい技術的解決策が必要です。
ワシントン大学のチームは、マイクロソフトと共同で、電気と水の特性を使用して電極グリッド上の液滴を移動する実験室実験を自動化するプログラム可能なシステムを開発しています。 PuddleおよびPurpleDropとして知られるすべてのソフトウェアとハードウェアは、さまざまな液体を混合、分離、加熱または冷却し、実験室プロトコルを実行できます。
目標は、現在手動または高価な液体処理ロボットによって実行されている実験室実験を自動化し、コストを削減することです。
MISLチームの次のステップには、単純なエンドツーエンドの自動化システムと、Purple Dropなどのテクノロジー、およびDNA分子を検索できる他のテクノロジーを統合することが含まれます。 研究者は、DNA合成、シーケンシング、およびDNA作業の新しいテクノロジーとして進化できるように、特に自動システムをモジュール化しています。
「このシステムの利点の1つは、部品の1つを新しい、より良い、またはより速いものに交換したい場合、新しい部品を接続するだけです」とNguyen氏は述べています。 「これにより、将来の柔軟性が高まります。」
上の画像：マイクロソフトとワシントン大学の研究者は 、最初の完全に自動化されたDNAデータストレージシステムを使用して、 こんにちは という言葉を記録し、読みました 。 これは、新しい技術を研究所から商業データセンターに移行するための重要なステップです。