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– Material genetico como método de armazenamento estável permite armazenar grandes quantidades de dados em DNA sintético.
Minapim by Hernan Valenzuela: O armazenamento em dados da serie de TV Biohackers recém-lançada, na forma de DNA sintético, foi possível pela pesquisa do Prof. Reinhard Heckel da Universidade Técnica de Munique – TUM e seu colega Prof. Robert Grass da ETH Zürich. Eles desenvolveram um método que permite o armazenamento estável de grandes quantidades de dados de DNA por mais de 1000 anos.
O armazenamento foi realizado usando DNA gerado artificialmente, em outras palavras, sintético. O DNA consiste em quatro blocos de construção: os nucleotídeos adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C).
Os dados do computador, por sua vez, são codificados como zeros e uns. O primeiro episódio de Biohackers consiste em uma sequência de cerca de 600 milhões de zeros e uns. Para codificar a sequência 01 01 11 00 no DNA, por exemplo, decidimos quais combinações de números corresponderão a quais letras. Por exemplo: 00 é A, 01 é C, 10 é G e 11 é T. No exemplo, então gera a sequência de DNA CCTA. Usando este princípio de armazenamento de dados de DNA, foi armazenado o primeiro episódio da série sobre DNA.
Para ver a serie o processo é reverso, ao escrever, armazenar e ler o DNA, entretanto, ocorrem erros. Se esses erros não forem corrigidos, os dados armazenados no DNA serão perdidos.
Para resolver o problema, foi desenvolvido um algoritmo baseado na codificação do canal. Este método envolve a correção de erros que ocorrem durante a transferência de informações. A ideia subjacente é adicionar redundância aos dados.
Em comparação com a linguagem: quando lemos ou ouvimos uma palavra com letras ausentes ou incorretas, o poder de computação do nosso cérebro ainda é capaz de entender a palavra.
O algoritmo segue o mesmo princípio: ele codifica os dados com redundância suficiente para garantir que mesmo dados altamente imprecisos possam ser restaurados posteriormente.
Ainda que a codificação de canal seja largamente usada, a equipe enfrentou alguns desafios; o primeiro desafio foi criar um algoritmo voltado especificamente para os erros que ocorrem no DNA. O segundo foi tornar o algoritmo tão eficiente que as maiores quantidades possíveis de dados pudessem ser armazenadas na menor quantidade possível de DNA, de modo que apenas a quantidade absolutamente necessária de redundância fosse adicionada. Foi demonstrado que o algoritmo usado foi otimizado nesse sentido.
O método de armazenamento
Hoje o armazenamento de dados de DNA é muito caro devido à complexidade da produção de DNA e do processo de leitura.
Este método se torna atraente, já que o DNA tem uma densidade de informação muito alta. Isso permite o armazenamento de enormes volumes de dados em um espaço mínimo.
No caso da série de TV, foram armazenados “apenas” 100 megabytes em um picograma – ou um bilionésimo de um grama de DNA. Teoricamente, entretanto, seria possível armazenar até 200 exabytes em um grama de DNA.
A duração do DNA é longa, como comparação: se nunca ligarmos um computador ou gravamos dados no disco rígido que ele contém, os dados desaparecerão após alguns anos. Em contraste, o DNA pode permanecer estável por muitos milhares de anos se for embalado da maneira correta.
O método desenvolvido também torna as fitas de DNA duráveis e praticamente indestrutíveis. Robert Grass foi o primeiro a desenvolver um processo para o “empacotamento estável” de fitas de DNA, encapsulando-as em esferas de escala nanométrica feitas de vidro de sílica.
Isso garante que o DNA esteja protegido contra influências mecânicas. Em um artigo conjunto em 2015, os cientistas apresentaram o primeiro conceito robusto de armazenamento de dados de DNA com algoritmo proprio e o processo de encapsulamento desenvolvido pelo Prof. Grass.
Desde então, os cientistas melhoraram continuamente o método. Em trabalho recente na Nature Protocols de janeiro de 2020, foram publicadas as ultimas experiencias.
Agora a equipe esta trabalhando em uma maneira de tornar o armazenamento de dados de DNA mais barato e rápido. “Biohackers” foi um marco no caminho para a comercialização. Mas ainda ha um longo caminho a percorrer.
Se essa tecnologia tiver sucesso, grandes coisas serão possíveis. Bibliotecas inteiras, todos os filmes, fotos, músicas e conhecimentos de todo tipo, desde que possam ser representados na forma de dados, poderiam ser armazenados no DNA e, portanto, estariam disponíveis para a humanidade por toda a eternidade.
Publicações: Linda C. Meiser, Philipp L. Antkowiak, Julian Koch, Weide D.Chen, A.Xavier Kohll, Wendelin J. Stark, Reinhard Heckel, Robert N. Grass: “Reading and writing digital data in DNA”. Published in Nature Protocols in January 2020. DOI: 10.1038/s41596-019-0244-5
Contacts to this article:
Prof. Dr. Reinhard Heckel
Technical University of Munich
Professor of Machine Learning
Tel: +49 89 289 28527
reinhard.heckel@tum.de
www.tum.de
Fonte: Technical University of Munich – TUM
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