Necessiteu una mica d’emmagatzematge? proveu ADN

Els enginyers han impulsat amb èxit més emmagatzematge en espais més petits durant dècades, però això no pot continuar per sempre. El següent gran salt d’emmagatzematge de dades podria prendre la forma de l’ADN dins de tota la matèria orgànica: científics dels laboratoris de tot el país estan experimentant amb l’ADN sintètic com a mitjà d’emmagatzematge.

"Si ens fixem cap a on es dirigeix ​​l'electrònica, la tecnologia del silici, molta de la tecnologia bàsica que fem servir per construir ordinadors avui, ens aproximem al límit en gairebé tots", afirma Luis Henrique Ceze, professor associat d'informàtica. i enginyeria a la Universitat de Washington. "L'ADN és molt dens, és molt durador i requereix molt poc manteniment, de manera que hi ha molts avantatges d'utilitzar ADN per emmagatzemar dades."

Ceze ha estat treballant amb Karin Strauss, investigadora d’arquitectura informàtica amb Microsoft Research, en una col·laboració entre les dues institucions –un projecte que uneix informàtica i biologia. Per a un equip format per aproximadament 20 persones, la universitat ofereix als biòlegs moleculars i Microsoft proporciona als informàtics.

Per entendre com es pot utilitzar l'ADN per a l'emmagatzematge, considereu que totes les dades de l'ordinador són binàries o base-2. El DNA és base 4, compost per adenina, citosina, guanina i timina (abreujada com A, C, G i T). El primer pas és convertir la informació de la base-2 a la base-4, de manera que A correspon a 00, C a 01, G a 10 i T a 11 (això simplifica una mica, però arriba a la idea).

Aleshores, els científics utilitzen una màquina anomenada sintetitzadora d'ADN per combinar els quatre productes químics en l'ordre adequat. El resultat emmagatzema la informació moltes vegades com un cúmul similar a la sal més petit que la punta d’un llapis. Per llegir aquesta informació es requereix un seqüenciador d'ADN.

Tot i que això pot semblar fràgil, com una cosa que podria explotar-se quan una porta s’obre de sobte, l’ADN és el mitjà d’emmagatzematge de dades més fort que hem vist. Els científics han llegit amb èxit l'ADN que té centenars de milers d'anys.

Seqüenciar el DNA implica eliminar una mica del material emmagatzemat i el procés esgotarà aquesta mostra. En conseqüència, es pot llegir un registre d’ADN un nombre finit de vegades. No és un problema, però, ja que el material emmagatzemat té tantes dades redundants; es pot tastar una i altra vegada. Els mitjans d’emmagatzematge actuals també tenen un nombre limitat de cicles d’escriptura i lectura abans que fallin, per la qual cosa no és res de nou.

Com assenyala Ceze, l’ADN mai estarà obsolet. Tot i que molts de nosaltres tenim disquets a la part posterior d’un calaix que ja no podem llegir, aquest no serà el destí de l’ADN. "Sempre ens importarà l'ADN per raons de ciències de la vida i de salut, així que sempre tindreu una manera de llegir informació emmagatzemada en l'ADN", afirma Ceze.

Al juliol de 2016, Microsoft i la Universitat de Washington van codificar amb èxit 200MB de dades en forma d’ADN, aconseguint el rècord anterior de 22MB. Segons Strauss, segons Strauss, serà possible emmagatzemar 1 exabyte de dades (és a dir, mil milions de GB) en un cub d'1 polzada.

"Vam fer una estimació de la quantitat de dades que podríeu posar en un volum determinat", diu Strauss. "Intentem estimar quin seria el volum si avui decidíssim arxivar tota Internet accessible, és a dir, tot allò que no hi ha darrere d'una contrasenya o cap tipus de paret electrònic, i hem sortit de la mida d'una caixa de sabates gran".

Això sembla una proposta llunyana, però Ceze creu que veurem els sistemes comercials d’emmagatzematge d’ADN al mercat en una dècada. No funcionaran exactament com l’emmagatzematge de microprocessador, ja que l’ADN requereix un entorn químic humit per a la creació, però proporcionaran una capacitat massiva i un accés aleatori a la mateixa velocitat que els sistemes de cintes empresarials ofereixen ara.

Un camp d'avançament ràpid

L’ADN ha estat al voltant de milers de milions d’anys, però les demostracions d’ADN com a tecnologia d’emmagatzematge utilitzable van començar el 1986 quan l’investigador del MIT, Joe Davis, va codificar una imatge binària senzilla en 28 parells de bases d’ADN.

Un altre pioner en aquest camp és George Church, un professor de genètica que treballa a la Harvard Medical School des del 1977 i dirigeix ​​el seu propi laboratori des de 1986. Church ha estat interessada a reduir el cost de la lectura i escriptura de l'ADN des dels anys 70, creient que algun dia. es confluirien per crear un emmagatzematge pràctic de dades. Es va interessar a treballar en la investigació de l’ADN al voltant del 2000 i va realitzar proves de seqüenciació i síntesi crítiques el 2003 i el 2004. El 2012 va poder unir les dues àrees i crear un sistema de codificació de dades. Va escriure aquesta obra en un influent article del 2012 a Science .

"Abans del 2003 i el 04, la seqüenciació i la síntesi es feien fonamentalment en capil·lars o tubs petits, on tindríeu un tub per seqüència", explica Church. "Era força manual i no escalable. La lliçó que havíem après de la indústria de semiconductors de la microfabricació era que necessiteu trobar una manera de situar-los fonamentalment en un pla bidimensional i després reduir la mida de la característica. Els mètodes basats en columnes eren compatibles amb això, i per tant, el 2003, vam mostrar com es podien distribuir seqüències en un pla bidimensional i després imaginar-les amb imatges fluorescents, que ara és la forma dominant de seqüenciar. Aleshores, el 2004, vam demostrar que podríeu fabricar ADN en un avió i deixar-lo caure, i fins i tot ser més compacte; així, l'avió era només un lloc temporal per sintetitzar-los, i podríeu compactar-los en un objecte tridimensional que milions de vegades. més compacte que l’emmagatzematge de dades normal.

"Aquestes eren la prova dels exercicis conceptuals el 2003 i el 2004. El 2012, nosaltres i altres havíem perfeccionat tant els mètodes de lectura com l'escriptura de l'ADN, i els vaig reunir en un experiment on vaig codificar un llibre que acabava d'escriure a l'ADN, incloses imatges, mostrant que bàsicament qualsevol cosa que sigui digital es pot codificar amb ADN."

Tot i que el cost és un obstacle important per a l'emmagatzematge de l'ADN, l'Església destaca que el preu ha caigut bruscament en el poc temps que s'ha fet la investigació. El cost de la lectura de l'ADN ha millorat al voltant de 3 milions de vegades, mentre que el cost de l'escriptura ha millorat un milió més. Ell pot veure millorar un milió més de vegades en encara menys temps. També assenyala que el cost de la copia de material d’ADN és gairebé gratuït, com també és el cost de l’emmagatzematge a llarg termini. Per a l’emmagatzematge d’arxiu, el cost de la lectura de dades no és un gran obstacle, ja que no es llegeix gaire material arxivat i alguns elements es llegeixen de forma selectiva. Mireu els costos de tot el sistema, aconsella. Els mètodes d'emmagatzematge tradicionals es mouen a la velocitat de la Llei de Moore i aviat apareixen a l'altiplà. Però la tecnologia d’emmagatzematge d’ADN avança més ràpidament que la llei de Moore i no mostra cap rastre d’altiplà.

L’arxivística i l’emmagatzematge al núvol és on Church veu primer que s’adopta l’emmagatzematge de dades d’ADN. Va assenyalar empreses que inclouen IBM, Microsoft i Technicolor els seus propis equips de recerca i desenvolupament que estudien la zona. Va col·laborar amb Technicolor el 2015 per emmagatzemar Un viatge a la lluna , una pel·lícula clàssica de 1902 que abans es creia perduda a l’ADN. Ara, Technicolor té moltes còpies d'ADN que, combinades, no són més grans que una taca de pols.

Church compta amb un laboratori de 93 persones que treballen en l'emmagatzematge de l'ADN i actualment se centren en dos objectius. El primer és millorar radicalment la velocitat per cicle. La informació s’emmagatzema en centenars de capes, cadascuna de gruix com una molècula. Actualment cada incorporació triga tres minuts, però l’Església creu que es pot reduir a menys d’un mil·lisegon. És de 200.000 vegades més ràpid, segons ell, i significa un canvi de la química orgànica a la bioquímica. També vol canviar com es fabriquen els instruments emprats per llegir i escriure per fer-los molt més petits. Actualment, són de la mida dels grans refrigeradors. Ell vol reduir-lo.

Redundància integrada i necessitat de correcció d'errors

Un investigador que va ser influenciat per l’article científic de 2012 de l’Església és la professora Olgica Milenkovic de la Universitat d’Illinois, Urbana-Champaign. L’article esmentava la necessitat de codificar, cosa que va despertar immediatament el seu interès. La codificació en la investigació d'emmagatzematge és una tècnica per afegir redundància a les dades, una redundància que posteriorment es pot utilitzar per corregir els errors que es produeixen durant el procés de lectura i escriptura. Per obtenir un exemple de per què és important això, vegeu les dues imatges de Citizen Kane aquí. Tots dos van ser codificats a l'ADN per l'equip de Milenkovic i després van ser llegits. Suposo que es va fer servir la redundància.

Tens raó: la imatge de l'esquerra es codificava amb la redundància i la de la mà dreta no.

Una manera senzilla d’afegir redundància és repetir a cada personatge un nombre determinat de vegades. En lloc d’escriure un 0, escriu-lo quatre vegades. Aquest és l'enfocament de la força bruta: senzill, però tremendament ineficient. El treball de Milenkovic consisteix a aconseguir la mateixa correcció d’errors d’una manera més sofisticada. Inclou tècniques anomenades controls de paritat o comprovacions de congruència lineals per proporcionar maneres de verificar dades.

"Tot el camp, bàsicament consisteix en ajudar-vos a corregir errors si apareixen o, encara millor, a evitar errors que sabeu que és molt probable que apareguin", afirma Milenkovic. "Introduïm una redundància controlada per eliminar els errors i que la redundància controlada no sigui en forma de repetició simple, perquè això és poc efectiu".

Això és el que va portar a Milenkovic al camp, però les seves investigacions ara consisteixen en reduir el cost massiu de la síntesi de l’ADN.

"El meu estudiant, H. Tabatabae Yazdi, que va ser molt actiu en aquest tema, i he estat molt difícil intentar trobar una forma intel·ligent per evitar la síntesi d'ADN. Sintetitzar l'ADN és absolutament un coll d'ampolla per a aquesta tecnologia a causa de l'alt cost. ", Diu Milenkovic.

Tot i que Milenkovic no vol revelar massa coses sobre investigacions no publicades, la seva solució consisteix en "enfocaments matemàtics" i es refereix a la sincronització, en què la grandària de l'interval entre trossos d'informació és significativa.

"Si prescindiu de la formalitat que voleu utilitzar els ATGC per codificar realment símbols binaris en una determinada ubicació, podeu trobar mitjans molt més intel·ligents i eficients per emmagatzemar informació, perquè no cal sintetitzar cadenes una i altra vegada de nou ", explica Milenkovic. "Podeu sintetitzar-les una vegada d'una manera determinada i després reutilitzar l'ADN sintetitzat de manera combinativa intel·ligent."

Mitjankov, amb la seva obra, espera disminuir el cost de la síntesi de l'ADN com a mínim per tres ordres de magnitud. Això no és suficient, apunta, però és un progrés. També contribueix a una línia de recerca que troba fascinant.

"És molt emocionant, ser sincer, jugar a Déu i codificar les teves pròpies dades a l'ADN", afirma Milenkovic. "Dóna a la persona una il·lusió saber que està jugant amb una molècula escollida de la natura i fer que faci allò que es vol emmagatzemar i codificar i transmetre informació al futur."

Ingressar: qualsevol dia ara

No és tot una investigació acadèmica en pols sec amb emmagatzematge de DNA. Helixworks, una empresa amb seu a Irlanda, ja intenta guanyar diners. Té un producte a Amazon: una mena de.

"Hem llançat a Amazon per aconseguir 512KB de dades digitals codificades a l'ADN", explica Nimesh Pinnamaneni, cofundador de la companyia. "És una cosa molt petita. Potser una imatge o potser un poema, alguna cosa així".

És una compra inusual, però podria ser el testimoni d’amor perfecte per a la persona que ho té tot, sobretot si aquesta és una científica:

"Recordo que un client ens va trucar. Va voler regalar a la seva dona –ambdós són biotecnòlegs–, va voler regalar a la seva dona en l'aniversari del seu casament. Volia posar un missatge a l'ADN i donar-li un ADN", recorda Pinnamaneni. "Hauria de seqüenciar l'ADN per llegir el missatge. És una manera bastant complicada d'enviar un missatge d'amor, però potser és bonic per als biotecnòlegs, saps?"

Però Helixworks es va avançar una mica abans de publicar el seu producte a Amazon l’agost del 2016, abans que estigués llest per complir les comandes. Dues persones van comprar la DNADrive de 199 dòlars de la companyia -una càpsula d’or de 14 quilats amb un grup d’ADN al seu interior- abans que Helixworks es veiés obligat a eliminar el seu producte. DNADrive continua a Amazon, però no es pot comprar.

Això no vol dir que Helixworks s’hagi acabat, amb massa ganes. Ha arribat massa lluny per aturar-se ara. La companyia es va iniciar a la Universitat de Borås, a Suècia, on Pinnamaneni (foto a dalt, esquerra) i Sachin Chalapati (dreta), l’altra cofundadora de l’empresa, van obtenir els màsters en biotecnologia. Van recaptar fons per a la investigació d'emmagatzematge d'ADN, van continuar la seva tasca un cop a casa seva a Bangalore, Índia, i van desenvolupar una prova de concepte.

Obtenir fons addicionals els va portar al programa d’acceleradors IndieBio que gestiona SOSV, una empresa de capital de risc d’inici a San Francisco, Califòrnia. El programa va ser seleccionat per Helixworks i va guanyar 50.000 dòlars en efectiu i la possibilitat de treballar d'un laboratori al comtat de Cork, on hi ha estat durant els últims sis mesos. El programa inclou l’assessorament sobre el llançament d’un producte, que Helixworks utilitzarà al festival South by Southwest d’enguany, on competirà en un esdeveniment pitch.

Malgrat que les càpsules d’ADN daurades poden acabar sent una lucrativa, Pinnamaneni diu que el futur de la seva empresa es troba en les impressores d’ADN de la llar i l’oficina compactes que desenvolupa ara. Vol que l'emmagatzematge de l'ADN sigui prou fàcil i assequible perquè qualsevol pugui utilitzar.

"Ens vam imaginar que cal tenir alguna cosa que funcioni com un cartutx en una impressora", explica Pinnamaneni. "Només teniu quatre colors, i aquests quatre colors es poden combinar per formar qualsevol color possible, no? Així és com funciona la vostra impressora de tinta. Hem pensat que hem de tenir una cosa així al nostre sistema. Hem dissenyat un cartutx de 32 reactius que es poden combinar per formar qualsevol seqüència d'ADN possible."

Mentre que altres laboratoris paguen al voltant de 30.000 dòlars cada vegada que necessiten sintetitzar l'ADN, una operació que triga unes setmanes a realitzar, Pinnamaneni assegura que la seva invenció pot reduir els costos i el temps de forma espectacular. Helixworks treballa amb Opentrons, una empresa que fabrica equips automatitzats de laboratori per crear la impressora. Això és el que canviarà a SXSW.

"El que demostrarem al pis de l'exposició és escriure ADN just davant dels vostres ulls", afirma Pinnamaneni.

La companyia encara no farà cap comanda. I està bé, perquè aquell biotecnòleg romàntic encara espera el seu regal d’aniversari.