El ADN de la “tarjeta perforada” podría significar un almacenamiento de datos de alta capacidad más barato

El ADN de la "tarjeta perforada" podría significar un almacenamiento de datos de alta capacidad más barato

Si todos tuvieran que depender de la memoria flash, el sistema de almacenamiento de datos utilizado en las tarjetas de memoria y las unidades de memoria USB, la cantidad de información que se estima que el mundo producirá para 2040 excedería el suministro esperado de silicio de microchip de grado planetario. hasta 100 veces. Para prevenir tal crisis, los investigadores han estado explorando un material de almacenamiento de que la vida misma depende: el ADN.

En teoría, esta sustancia puede contener una gran cantidad de información, hasta un exabyte (mil millones de gigabytes) por milímetro cúbico de ADN, durante milenios. (La cinta magnética que sirve de base para la mayoría de los archivos digitales tiene una vida útil máxima de aproximadamente 30 años, pero el ADN en Fósiles de 700,000 años de antigüedad todavía se puede secuenciar.) Un obstáculo para haciendo realidad el almacenamiento de datos de ADN, sin embargo, es el proceso lento, costoso y propenso a errores de crear o sintetizar nuevas secuencias de ADN que se ajustan al código deseado.

“Sintetizar ADN es un importante cuello de botella con respecto al costo de grabación, precisión y velocidad de escritura”, dice Olgica Milenkovic, un teórico de la codificación en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y coautor principal de un nuevo estudio sobre el tema. Ella y sus colegas han sugerido una solución novedosa: en lugar de sintetizar ADN a partir de cero, marque las moléculas de ADN existentes con patrones de “mellas” para codificar los datos. Este método se inspiró en tarjetas perforadas: tiras de papel rígido perforadas con agujeros en posiciones específicas para almacenar información para muchas computadoras antiguas, incluida la era de la Segunda Guerra Mundial ENIAC. Los investigadores detalló su técnica el miércoles en Comunicaciones de la naturaleza.

Los enfoques anteriores de almacenamiento de ADN trataron los cuatro componentes clave del ADN conocidos como bases: adenina, timina, citosina y guanina, como bits electrónicos, los 1 y 0 que codifican los datos digitales. Por ejemplo, cada base podría asignarse para representar el par 00, 01, 10 u 11. Pero en lugar de traducir una serie de bits al código de ADN y sintetizar las cadenas de bases correspondientes, el nuevo método trata el material genético existente un poco como el papel de esas primeras tarjetas perforadas. Aplica enzimas como “el dispositivo que hace agujeros”, dice el autor principal del estudio S. Kasra Tabatabaei, bióloga sintética en Urbana-Champaign. En este caso, los “agujeros” son enlaces cortados entre las moléculas que forman la columna vertebral del ADN. La presencia de esta marca significa 1, y su ausencia simboliza 0.

El aspecto más interesante de esta investigación es cómo se basa en la naturaleza, dice Brenda Rubenstein, una química teórica de la Universidad de Brown, que no participó en el estudio. Los investigadores “permiten que estas enzimas creen mellas (hagan lo que sea más natural para ellas) para almacenar información”, dice.

Para colocar las muescas con precisión, el equipo calentó moléculas de ADN de doble cadena—Iméntelos como una escalera retorcida con peldaños hechos de pares de bases y rieles verticales de azúcares y fosfatos— hasta que se desenrollen un poco en el medio. Este proceso esencialmente formó burbujas que dejaron las bases expuestas. Luego, los científicos desplegaron moléculas de ADN monocatenario, cada una de solo 16 bases de largo, que se unieron a las secuencias correspondientes de bases dentro de esas burbujas. Los extremos de estas moléculas monocatenarias sirvieron como guías, diciéndoles a las enzimas exactamente a dónde ir. En el ADN, cada base se conecta a una molécula de azúcar y un grupo fosfato para formar un compuesto conocido como nucleótido. Las enzimas utilizadas en la nueva técnica cortan el enlace que une un nucleótido con otro para crear una muesca en los rieles de azúcar y fosfato.

Debido a que este método no requiere sintetizar secuencias precisas de ADN, los investigadores dicen que una de sus principales ventajas es que pueden tratar prácticamente cualquier molécula de ADN como una tarjeta perforada. Por ejemplo, experimentaron con material genético cosechado a bajo costo de cepas fácilmente disponibles de Escherichia coli bacterias, cuyas secuencias los investigadores conocen con gran precisión. Utilizando hebras de ADN bacteriano con 450 pares de bases, cada una con cinco a 10 mellas, los científicos codificaron las 272 palabras de Dirección de Gettysburg de Abraham Lincoln—Y una imagen de 14 kilobytes del Memorial de Lincoln. Después de colocar esta información en el ADN, utilizaron técnicas de secuencia comercial para leer los archivos con perfecta precisión.

“Durante muchos años, la gente pensó que la computación molecular implicaba tomar lo que hacemos en el silicio y mapearlo en las moléculas, lo que resultó en estos elaborados dispositivos Rube Goldberg”, dice Rubenstein. “En cambio, este nuevo trabajo confiaba en cómo las enzimas evolucionaron durante millones y millones de años para ser increíblemente eficientes en lo que hacen”.

Los científicos esperan que su proceso resulte mucho más barato y rápido que los que dependen de la síntesis de ADN. Sin embargo, dicen que las estrategias de almacenamiento de datos de ADN propuestas en el pasado aún ofrecen algunas ventajas, como una densidad de almacenamiento de aproximadamente 12 a 50 veces mayor que la técnica de la tarjeta perforada. Aún así, “el mayor problema con el almacenamiento de datos de ADN en este momento no es la densidad; es un costo “, dice Milenkovic. “Y nuestros costos son realmente bajos y pueden reducirse aún más”. Además, agrega, los sistemas de almacenamiento de ADN más antiguos han tenido que incluir secuencias redundantes, que sirven como un seguro contra la naturaleza propensa a errores de la síntesis de ADN convencional. Este requisito reduce la cantidad de datos que realmente pueden contener, reduciendo la brecha de densidad de almacenamiento entre ellos y la nueva técnica.

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