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微軟和華盛頓大學演示了自動DNA數據存儲

2019-12-03 16:40:42來源:

DNA數據存儲有望將大量信息放入試管中,但誰愿意整天帶著試管在數據中心里轉呢?

來自微軟和華盛頓大學的研究人員正在研究一種更好的方法:一種完全自動化的系統,它可以將數字位轉換成編碼的DNA分子進行存儲,并在需要時將這些分子轉換回位。

他們使用他們的概念證明系統,在今天發表在《自然科學報告》上的一篇論文中,將“你好”這個詞編碼在DNA鏈中,然后讀出它。這聽起來似乎是一個非常簡單的任務,但它卻證明了這個系統是有效的。

“我們確信,DNA分子是很好的數據存儲候選對象。但我們本質上是計算機建筑師。華盛頓大學保羅·g·艾倫計算機科學與工程學院的教授路易斯·塞茲告訴GeekWire。“讓我們興奮的是,這是向展示一個有分子成分和電子成分的計算機系統邁出的一步。”

DNA數據存儲機制類似于細胞中的DNA編碼遺傳信息的方式:使用電子1和0,而是將數據轉換為DNA堿基對的編碼系統,使用的化學“字母”腺嘌呤,胞嘧啶,鳥嘌呤和胸腺嘧啶(A、C、G、T)。“你好,”例如,可以編碼到化學TCAACATGATGAGTA字符串。

需要注意的是,這種定制的分子在基因上沒有任何作用。相反,該系統僅僅使用DNA中的化學物質作為密碼。

“沒有細胞,沒有生物體,”微軟首席研究員卡琳·施特勞斯說。

該方法極大地提高了數據存儲的密度。從理論上講,你可以在一立方英寸的DNA中存儲十億億億字節的數據(即艾字節),Strauss說。

在過去的實驗中,微軟和華盛頓大學的研究小組用DNA來編碼文件,從歷史文本到貓的圖片,再到高清的OK Go音樂視頻。華盛頓大學的分子信息系統實驗室甚至有一個“DNA中的記憶”網站,你可以上傳自己的DNA存儲文件。

但這項工作需要很多手工步驟來弄清楚代碼,發送指令讓分子合成,等待DNA從郵件中返回,然后進行實驗。因為涉及到太多的處理,所以有很多出錯的機會。在商業環境中根本飛不起來。

“你不能讓一群人拿著移液管在數據中心里跑來跑去——這太容易發生人為錯誤,代價太大,占用的空間也太大,”該研究的主要作者、艾倫商學院的高級研究科學家克里斯·高橋在微軟的一篇博客文章中解釋道。這就是為什么自動化系統很重要。

該系統的軟件將數字代碼轉換成DNA代碼。然后,這些代碼被自動發送到合成器,合成器以正確的順序和比例將所需的化學物質和液體結合起來,然后將定制的DNA分子吐到存儲容器中。

為了讀出數據,DNA被引入一個添加化學物質的裝置,并將其推入一個納米孔DNA測序機。序列被自動轉換成數字數據的1和0。

Ceze說這個過程仍然需要12到16個小時,但是經過的時間并不是這個實驗的重點。相反,關鍵是要表明一個自動化系統可以從開始到結束可靠地完成工作。

微軟和華盛頓大學的團隊還創造了一個可編程系統,可以在一個名為“紫滴”的數字微流控設備上移動液滴。該操作系統被稱為Puddle,可以用來為微流體系統發出命令,就像Linux等更傳統的操作系統可以為電子計算系統發出命令一樣。

這是一個水坑的代碼樣本:

“這個系統的偉大之處在于,如果我們想用新的、更好的或更快的東西來替換其中的一部分,我們可以直接把它插進去,”微軟研究員Bichlien Nguyen說。

最終,下一代DNA數據存儲系統將與PurpleDrop等設備和Puddle等軟件相結合,創造一個基于微流體而非電子的計算機環境。Ceze說,這可能會導致混合計算機系統,將電子計算的處理能力與DNA的數據存儲密度混合在一起。

他說:“我們的目標是將分子應用于擁有大量數據的應用中。”“我們正在探索的計算方式是模式匹配和近似搜索。如果你有大量的圖片和視頻,你怎么找到相似的圖片,你怎么找到相似的視頻?”

Ceze和他的同事已經演示了基于dna的計算如何在巨大的數據庫中“搜索”匹配給定查詢的圖像。這種能力是五角大樓的國防高級研究計劃局(DARPA)非常感興趣開發的。

同樣在本周,加州理工學院(Caltech)和加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)的研究人員發表了一篇論文,描述了一個使用自組裝DNA分子來運行算法的數據處理系統。“這非常有趣,”Ceze說。“它允許你在分子尺度上進行計算……但它實際上并不是處理大量數據,而這正是我們的目標。”

基于dna的計算機系統不太可能很快出現在百思買。

“我們真的很想把它部署到云端。我們看到的情況是,用使用分子數據存儲和分子數據搜索的系統組件取代位于數據中心的大型系統的一部分。

Strauss不愿意預測將DNA添加到微軟Azure需要多長時間,但她相信微軟和UW將盡一切努力把實驗變成產品。

“我們這里有一個非常特別的團隊,”她說。“我們非常幸運,處在一個人們愿意押注和創新的環境中。”

Takahashi, Nguyen, Strauss和Ceze是《自然科學報告》中開放獲取研究的合著者,“DNA數據存儲端到端的自動化演示”。

太平洋時間3月21日上午11點21分更新:我們修改了這份報告,以更準確地反映用于DNA存儲的理論數據密度估計數,并修改了研究論文中描述的用于實驗的軟件參考。

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