来自华盛顿大学和微软的研究人员已经展示了第一个在人造DNA中存储和检索数据的全自动系统 – 这是将技术从研究实验室转移到商业数据中心的关键步骤。
在一个简单的概念验证测试中，该团队成功地在制作的DNA片段中编码了“hello”一词，并使用全自动端到端系统将其转换回数字数据，该系统在一篇新发表的论文中有所描述。在自然科学报告。
DNA可以将数字信息存储在比数据中心当前使用的数量级小的空间中。这是一个很有前途的解决方案，用于存储世界每天产生的爆炸性数据量，从商业记录和可爱的动物视频到医学扫描和外太空图像。
威斯康星大学和微软的团队正在探索如何缩小我们正在生产的需要保留的数据量与存储数据之间的差距。这包括开发算法和分子计算技术，以编码和检索制作的DNA中的数据，这可以使当前存储在仓库大小的数据中心的所有信息适合大约几个棋盘游戏骰子的大小。
“我们的最终目标是将一个系统投入生产，对于最终用户来说，它看起来非常像任何其他云存储服务 – 位被发送到数据中心并存储在那里，然后它们就会在客户需要时出现，”首席研究员Karin Strauss是保罗G.艾伦计算机科学与工程学院的联合副教授，也是微软的高级研究员。“要做到这一点，我们需要从自动化角度证明这是实用的。”
信息存储在实验室中创建的合成DNA分子中，而不是来自人类或其他生物的DNA，并且可以在发送到系统之前进行加密。虽然合成器和测序仪等复杂的机器已经执行了该过程的关键部分，但到目前为止，许多中间步骤都需要在研究实验室中进行手工操作。艾伦学院的高级研究科学家Chris Takahashi说，但这在商业环境中是不可行的。
“你不能让一群人在带有移液器的数据中心周围运行 – 它太容易出现人为错误，而且成本太高而且占地面积太大，”他说。
对于作为商业存储解决方案而有意义的技术，需要降低合成DNA的成本 – 基本上是具有有意义序列的定制构建链 – 以及提取存储信息的排序过程。研究人员表示，趋势正朝着这个方向迅速发展。
该团队称，自动化是这个难题的另一个关键部分，因为它可以实现商业规模的存储并使其更加经济实惠。
在适当的条件下，DNA可以比现有的存档技术持续更长时间，这些存储技术在几十年内会降级。有些DNA在早期人类巨大的象牙和骨骼中成功地存在于数万年不太理想的储存条件中，只要人们活着就应该具有相关性。
自动DNA数据存储系统使用由团队开发的软件，将数字数据的1和0转换为构成DNA构建块的As，Ts，Cs和Gs。然后，它使用廉价的，基本上现成的实验室设备将必要的液体和化学品流入合成器，该合成器构建制造的DNA片段，然后将它们推入储存容器中。
当系统需要检索信息时，它会添加其他化学物质以正确地准备DNA，并使用微流体泵将液体推入机器中，“读取”DNA序列并将其转换回计算机可以理解的信息。研究人员表示，该项目的目标不是要证明系统能够以多快的速度或低成本运作，而只是为了证明自动化是可行的。
拥有自动化DNA存储系统的一个直接好处是，它可以让研究人员解决更深入的问题，而不是花时间寻找试剂瓶或反复挤压液滴到试管中。
微软研究员Bichlien Nguyen说：“拥有一个自动化系统来完成重复性工作，这使得我们在实验室工作的人能够采取更高的观点并开始制定新的策略 – 从根本上进行更快的创新。”
来自威斯康星大学分子信息系统实验室的团队已经证明它可以存储猫照片，精彩的文学作品，流行视频和DNA中的档案记录，并在研究环境中无错误地检索这些文件。到目前为止，他们已经能够在DNA中存储1千兆字节的数据，最好的是他们之前的200 MB世界纪录。
研究人员还开发了一些技术来执行有意义的计算- 比如只搜索和检索包含苹果或绿色自行车的图像 – 使用分子本身而不必将文件转换回数字格式。
“我们肯定会看到一种新型计算机系统诞生于此，您可以使用分子存储数据和电子设备进行控制和处理。将它们放在一起为未来提供了一些非常有趣的可能性，“UW Allen School教授Luis Ceze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液体来移动分子。但是流体本质上与电子不同，需要全新的工程解决方案。
研究人员正在开发一种可编程系统，通过利用电和水的特性在电极网格上移动水滴，实现实验室实验的自动化。绰号“Puddle”和“PurpleDrop”的全套软件和硬件可以混合，分离，加热或冷却不同的液体并运行实验室协议。
目标是实现目前通过手工或昂贵的液体处理机器人完成的实验室实验的自动化 – 但成本只是其中的一小部分。
该团队的后续步骤包括将简单的端到端自动化系统与PurpleDrop等技术以及能够使用DNA分子进行搜索的技术相结合。研究人员专门设计了自动化系统，使其能够随着新技术的出现而发展，用于合成，测序或使用DNA。
“这个系统的优点在于，如果我们想用新的或更好或更快的东西替换其中一个部件，我们就可以插入它，”Nguyen说。“它为我们的未来提供了很大的灵活性。”