In un mondo basato sui dati, creare centri in grado di archiviare in modo economico, rapido ed efficiente
Sistema di immagazzinamento del DNAsembra fantascienza. Ma tali soluzioni sono già state implementate. È vero, finora principalmente per scopi di ricerca e per l'archiviazione di dati d'archivio che non devono essere utilizzati spesso. Il limite principale per lavorare con il DNA è la difficoltà con un rapido accesso parallelo a un gran numero di file e gli errori di lettura e scrittura.
Si è sviluppato un team internazionale di ricercatoritecnologia in grado di eliminare le carenze esistenti. Uno degli autori dello studio, pubblicato sulla rivista Nature, è fiducioso che utilizzando la soluzione proposta entro 5-10 anni, i data center a tutti gli effetti basati sul DNA diventeranno una realtà.
Il DNA come sistema di memorizzazione dei dati
L'idea di utilizzare filamenti di DNA per memorizzare i datidiscusso per decenni. Nel 1988, i ricercatori e artisti di Harvard Joe Davis hanno codificato un'immagine di 5 x 7 pixel di un'antica runa germanica (35 bit di informazioni in totale) nel DNA incluso nel batterio E. coli. Ma questo esempio era solo una dimostrazione delle possibilità future: la tecnologia era troppo costosa e complicata.
Tecnicamente, la memorizzazione dei dati nel DNA è diventata possibile,quando, nel 2011, i ricercatori di Harvard svilupparono una tecnologia per la sintesi controllata del DNA. Ulteriori ricerche in quest'area hanno notevolmente ridotto i costi e aumentato la velocità di creazione del DNA sintetico che contiene le sequenze di DNA desiderate.
Per memorizzare le informazioni nel DNA invece del solito 0e 1, che vengono utilizzati per codificare i dati, è possibile utilizzare le coppie di basi “adenina - timina” e “citosina - guanina”. In laboratorio, le basi vengono combinate in un ordine specifico per formare filamenti sintetici di DNA.
Vantaggi del DNA
Memorizzare i dati nel DNA ha molti vantaggi.Ad esempio, un file di DNA occupa poco spazio: a causa dell'elevata densità della molecola, ogni nucleotide, equivalente a due bit, è di circa 1 nm³. E un exabyte di dati (1.000.000 TB) archiviati come DNA può stare nel palmo della tua mano. Il DNA è anche estremamente stabile: la scoperta di un codice genetico preservato nei fossili di antichi microrganismi e animali ne è un ottimo esempio. Inoltre, questa tecnologia non richiede costi energetici significativi.
Il problema è che se in domandePoiché le soluzioni esistenti funzionano abbastanza bene per la scrittura dei dati (sebbene rimangano relativamente costose), iniziano a sorgere problemi con la lettura. Il metodo di accesso casuale PCR attualmente utilizzato per la lettura è soggetto a un gran numero di errori. I sistemi possono leggere solo un file alla volta e la qualità dei dati viene gravemente degradata a ogni lettura.
Il processo di lettura funziona come segue:Ogni file di dati nel DNA include una sequenza che si lega a un primer specifico. Utilizzando la reazione a catena della polimerasi (PCR), i ricercatori avviano il processo di sintesi di milioni di copie del frammento desiderato.
Lo stesso principio funziona, ad esempio,test per il coronavirus: sotto l'influenza di un certo primer sintetico, inizia una reazione a catena e anche una piccola quantità di DNA del virus diventa rilevabile. Il problema è che la lettura di più file separati richiede che diversi primer funzionino contemporaneamente, e questo porta a molti errori nel processo di copiatura e alla distruzione del DNA originale.
Tecnologia scalabile
Lo propone un team internazionale di ricercatoriil metodo che ritengono supererà queste limitazioni è la PCR fissata a caldo. Gli scienziati hanno creato microcapsule di proteine e polimeri che agiscono come file separati di DNA. Ciascuna di queste capsule è associata a un file di dati. Inoltre, sono progettati in modo tale che quando una pluralità di microcapsule viene riscaldata a temperature superiori a 50°C, ciascuna di queste capsule viene sigillata.
Ciò consente al processo PCR di leggeresi verificano in modo indipendente in ogni capsula, lasciando pochissimo spazio per l'errore. Quando la temperatura si normalizza, il file originale rimane attaccato alla capsula e i file copiati la lasciano. Ciò impedisce che i dati originali e il DNA vengano corrotti.
I genetisti hanno usato il loro nuovo approccio perlettura simultanea di 25 file memorizzati nel DNA diviso. I risultati sono stati positivi e inaspettati. In media, con le capsule termiche, la perdita di lettura è dello 0,3% dopo tre letture, rispetto al 35% con il metodo attuale.
Microcapsule colorate con etichette fluorescenti. Immagine: Tom de Greef
La seconda "innovazione" - dipinta con specialicatalogo contrassegnato. Ad ogni file viene assegnata un'etichetta fluorescente e ad ogni capsula viene assegnato un colore diverso. Un dispositivo speciale può quindi riconoscere i colori e separarli gli uni dagli altri per facilitare l'ordinamento e la ricerca delle informazioni in un archivio di grandi dimensioni.
Gli autori della tecnologia sono fiduciosi che queste innovazioniabbastanza per creare un vero e proprio data center basato sul DNA. “In una parte dell'edificio, i nuovi file saranno codificati utilizzando la sintesi del DNA. L'altro conterrà grandi campi di capsule, ciascuno con un file separato. Il braccio robotico estrarrà la capsula, ne leggerà il contenuto e la rimetterà a posto”, afferma uno degli autori dello studio. Il punto è piccolo: aspettare che il costo della sintesi del DNA si riduca ancora di più, e per questo un decennio è sufficiente, gli scienziati ne sono sicuri.
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