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El futuro del almacenamiento de datos bi-helicoidal,

Foto: (desde la izquierda) Los investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Charles Schroeder, Kasra Tabatabai y Zhao Pan colaboraron con investigadores de la UIUC, la Universidad de Massachusetts en Amherst y la Universidad de Stanford para convertir el ADN en una plataforma de almacenamiento de datos sólida y sostenible. adecuado para la era de la información y construido para durar más allá del siglo XXI.
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Crédito: Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign.

Imagina que la canción de Bach «Suite para violonchelo n.º 1» se tocara en una hebra de ADN.

Este escenario no es tan imposible como parece. Demasiado pequeño para soportar un rasgueo rítmico o un acorde deslizante, DNA es una fuente inagotable para almacenar archivos de audio y todos los demás tipos de medios.

«El ADN es el sistema de almacenamiento de datos original de la naturaleza. Podemos usarlo para almacenar cualquier tipo de datos: fotos, videos, música, cualquier cosa», dijo Kasra Tabatabai, investigadora del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas y coautora de este artículo. estudio.

La expansión de la estructura molecular del ADN y el desarrollo de un nuevo método de secuenciación preciso ha permitido a un equipo multiinstitucional transformar la doble hélice en una plataforma de almacenamiento de datos robusta y sostenible.

El documento del equipo apareció en nanomensajes En febrero de 2022.

En la era de la información digital, cualquier persona lo suficientemente valiente como para navegar por las noticias diarias siente que los archivos globales son cada vez más pesados. Cada vez más, los archivos en papel se digitalizan para ahorrar espacio y proteger la información de los desastres naturales.

Desde científicos hasta personas influyentes en las redes sociales, cualquier persona con almacenamiento de información se beneficiará de una caja de seguridad de datos sostenible y segura, y la doble hélice cumple con los requisitos.

“El ADN es una de las mejores, si no la mejor, opciones para almacenar datos de archivo de forma privada”, dijo Zhao Pan, estudiante de posgrado en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y coautor del estudio.

Su longevidad solo rivaliza con su durabilidad, el ADN está diseñado para soportar las condiciones más duras de la Tierra, a veces durante decenas de miles de años, y sigue siendo una fuente viable. Los científicos pueden secuenciar filamentos fosilizados para descubrir la historia genética y dar vida a paisajes perdidos hace mucho tiempo.

A pesar de su estatura diminuta, el ADN es un poco como la infame cabina de policía de Doctor Who: más grande por dentro de lo que parece.

«Todos los días, se generan varios petabytes de datos en línea. Solo un gramo de ADN es suficiente para almacenar esos datos. Así de denso es el ADN como medio de almacenamiento», dijo Tabatabai, quien también es estudiante de doctorado de quinto año. estudiante.

Otro aspecto importante del ADN es su abundancia natural y su potencial renovable casi infinito, un rasgo que no comparte el sistema de almacenamiento de datos más avanzado del mercado actual: los microchips de silicio, que a menudo circulan durante décadas solo antes de ser enterrados extraoficialmente en un vertedero. -perder.

«En un momento en el que enfrentamos desafíos climáticos sin precedentes, no se puede dejar de enfatizar la importancia de las tecnologías de almacenamiento sostenible. Están surgiendo nuevas tecnologías de grabación de ADN verde que harán que el almacenamiento molecular sea aún más importante en el futuro», dijo. Oljica MilinkovicFranklin W. Woeltge Profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática y coautor del estudio.

Visualizando el futuro del almacenamiento de datos, el equipo multidisciplinario examinó el MO del ADN durante miles de años. Luego, los investigadores agregaron su propio desarrollo en el siglo XXI.

En la naturaleza, cada hebra de ADN contiene cuatro sustancias químicas (adenina, guanina, citosina y timina), a las que a menudo se hace referencia con las iniciales A, G, C y T. Se organizan y reorganizan a lo largo de la doble hélice en grupos que los científicos pueden descifrar. Decodificarlo, o secuenciarlo, para darle significado.

Los investigadores han ampliado la ya extensa capacidad del ADN para almacenar información al agregar siete bases nucleares sintéticas a la variedad actual de cuatro letras.

Imagina el alfabeto inglés. Si solo tiene cuatro letras para usar, solo puede crear esa cantidad de palabras. Si tienes el alfabeto completo, puedes producir combinaciones ilimitadas de palabras. Esto es lo mismo con el ADN. Y en lugar de convertir ceros y unos en A, G, C y T, podemos convertir ceros y unos en A, G, C, T y las nuevas siete letras del alfabeto de almacenamiento”.

Debido a que este equipo es el primero en usar nucleótidos modificados químicamente para almacenar información en el ADN, crearon miembros en torno a un desafío único: no todas las tecnologías actuales son capaces de interpretar cadenas de ADN modificadas químicamente. Para resolver este problema, combinaron el aprendizaje automático y la inteligencia artificial para desarrollar un método de procesamiento de lectura de secuencias de ADN único en su tipo.

Su solución puede distinguir los productos químicos modificados de los materiales naturales, y cada una de las siete nuevas moléculas se puede distinguir entre sí.

«Probamos 77 combinaciones diferentes de 11 nucleótidos, y nuestro método pudo caracterizar cada uno perfectamente», dijo Pan. «El marco de aprendizaje profundo es parte de nuestro método para identificar globalmente diferentes nucleótidos, lo que hace posible generalizar nuestro enfoque a muchas otras aplicaciones».

Esta traducción perfecta de letras llega a través de los nanoporos: proteínas con un agujero en el medio a través del cual la hebra de ADN puede pasar fácilmente. Sorprendentemente, el equipo descubrió que los nanoporos pueden detectar y caracterizar cada unidad de monómero individual a lo largo de la cadena de ADN, ya sea que las unidades sean de origen natural o químico.

«Este trabajo proporciona una emocionante demostración de prueba de principio para extender el almacenamiento de datos moleculares a productos químicos no naturales, que tienen el potencial de aumentar drásticamente la densidad de almacenamiento en medios de almacenamiento no convencionales». charles schroederJames, profesor de economía para la ciencia e ingeniería de materiales y co-investigador principal de este estudio.

El ADN literalmente hizo historia al almacenar información genética. Por la aparición de este estudio, el futuro del almacenamiento de datos es una hélice bidireccional.

Nota del editor:

Se puede acceder al documento asociado con este trabajo en https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04203.

Los colaboradores adicionales de UIUC incluyen Alexey AksemintivCentro de Biofísica y Biología Cuántica; Y el Álvaro Hernández, Centro Roy J. Carver de Biotecnología. Las instituciones asociadas incluyen la Universidad de Massachusetts en Amherst y la Universidad de Stanford. Para obtener una lista completa de los colaboradores y sus afiliaciones, consulte el trabajo publicado.

Póngase en contacto con la Oficina de Comunicaciones de Beckman en [email protected]


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