Nos últimos anos, os cientistas decodificaram os genomas de mamutes e cavalos de 700 mil anos usando fragmentos de DNA extraídos de fósseis. O DNA definitivamente dura muito mais do que os organismos para os quais carrega códigos genéticos. Os cientistas e engenheiros da computação há muito sonham em aproveitar a diminuição e a resiliência do DNA para armazenar dados digitais. Eles querem codificar todos esses zeros e uns nas moléculas A, C, G e T, que formam a escada em espiral do polímero de DNA - e os avanços desta década na síntese e sequenciamento de DNA levaram a um grande avanço. Experimentos recentes mostraram que um dia seremos capazes de codificar todas as informações digitais do mundo em alguns litros de DNA - e lê-las novamente milhares de anos depois.
O interesse da Microsoft e de outras empresas de tecnologia está aumentando as tensões nessa área. No mês passado, a Microsoft Research anunciou que pagaria à Twist Bioscience, uma empresa de biologia sintética, para criar 10 milhões de fitas de DNA projetadas por cientistas da computação da Microsoft para armazenar dados. A fabricante líder de memórias Micron Technology também está financiando pesquisas de armazenamento de DNA para determinar se um sistema de ácido nucléico pode ultrapassar os limites da memória eletrônica. Esse influxo de dinheiro e juros pode reduzir gradualmente os custos exorbitantes e tornar possível o armazenamento de dados no DNA em dez anos, dizem os pesquisadores.
Humanos gerarão mais de 16 trilhões de gigabytes de dados digitais até 2017, e a maior parte deles precisará ser arquivada. Dados jurídicos, financeiros e médicos, bem como, é claro, arquivos multimídia. Hoje, os dados são armazenados em discos rígidos, discos ópticos em data centers que consomem muita energia do tamanho de um warehouse. Na melhor das hipóteses, esses dados são armazenados por trinta anos, na pior - vários. Além disso, de acordo com a arquiteta de computação da Microsoft Research, Karin Strauss, "estamos produzindo muito mais dados do que a indústria de armazenamento pode fazer e as projeções mostram que a diferença aumentará."
Agora vamos adicionar DNA a tudo isso. Ele pode viver por séculos se for mantido em um local fresco e seco. Em teoria, ele pode embalar bilhões de gigabytes de dados em um cubo de açúcar. A fita, o meio de armazenamento mais denso disponível hoje, pode conter 10 gigabytes na mesma quantidade de espaço. “O DNA é um meio de armazenamento incrivelmente denso, durável e não volátil”, diz Olgica Milenkovic, professora de engenharia elétrica e de computação da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
Isso ocorre porque cada uma das quatro moléculas construtoras - adenina (A), citosina ©, guanina (G) e timina (T) - ocupa um nanômetro cúbico de volume. Usando um sistema de codificação - digamos, no qual A representa os bits “00”, C representa “01” e assim por diante - os cientistas podem pegar as linhas de uns e zeros que compõem os arquivos de dados digitais e criar uma fita de DNA contendo um instantâneo ou vídeo. Claro, a técnica de codificação real é muito mais complicada do que escrevemos para você aqui. A síntese de fita de DNA de projeto é o processo de escrever dados. Os cientistas podem então lê-los sequenciando as cadeias.
O geneticista de Harvard George Church fundou essa área de pesquisa em 2012, codificando 70 bilhões de cópias do livro - um milhão de gigabits - em um milímetro cúbico de DNA. Um ano depois, cientistas do Instituto Europeu de Bioinformática mostraram que podiam ler, sem um único erro, 739 kilobytes de dados contidos no DNA.
No ano passado, várias equipes de cientistas demonstraram sistemas totalmente funcionais. Em agosto, cientistas da ETH Zurich encapsularam DNA sintético em vidro, submetido a condições que simulavam a expiração de 2.000 anos, e recuperaram completamente os dados codificados. Paralelamente, Milenkovic e seus colegas relataram que seis universidades americanas salvaram as páginas da Wikipedia em DNA e - ao fornecer às sequências "endereços" especiais - leram e editaram seletivamente partes do texto escrito. O acesso aleatório aos dados é fundamental para evitar a "sequência de um livro inteiro para ler apenas um parágrafo", diz Milenkovich.
Em abril, Strauss e os cientistas Jord Seelig e Luis Tsese, da Universidade de Washington, relataram que foram capazes de escrever três arquivos de imagem, cada um com várias dezenas de kilobytes, em 40.000 fitas de DNA usando seu próprio esquema de codificação, e depois lê-los individualmente, não cometendo erros. Eles apresentaram seu trabalho em abril em uma conferência da Association for Electronic Computing. Com os 10 milhões de strings que a Microsoft compra da Twist Bioscience, os cientistas planejam provar que os dados de DNA podem ser armazenados em uma escala muito maior. “Nosso objetivo é demonstrar um sistema final em que codificamos arquivos de DNA, sintetizamos moléculas, armazenamos por um longo tempo e depois as restauramos por meio do sequenciamento do DNA”, diz Strauss. "Começamos com as batidas e voltamos às batidas."
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O fabricante de memórias Micron está estudando o DNA como uma tecnologia pós-silício. A empresa está financiando o trabalho dos cientistas da Igreja e da Universidade de Idaho para criar um sistema de armazenamento de DNA sem erros. “O aumento do custo de armazenamento levará a soluções alternativas, e o armazenamento de DNA é uma das soluções mais promissoras”, disse Gurtei Sandu, diretor de desenvolvimento de tecnologia avançada da Micron.
Os cientistas ainda estão procurando maneiras de reduzir o número de erros na codificação e decodificação de dados. Mas a maior parte da tecnologia já está instalada. Então, o que está nos impedindo de mudar de data warehouses do tamanho de caixas de sapatos para cápsulas de vidro de DNA? Custo. “O processo de gravação é um milhão de vezes mais caro”, diz Seelig.
Eis o porquê: fazer DNA envolve amarrar moléculas de tamanho nanométrico uma a uma com alta precisão - uma tarefa nada fácil. Embora o custo do sequenciamento tenha caído devido ao rápido crescimento da demanda por esse serviço, a síntese de DNA não tinha um driver semelhante no mercado. Milenkovic pagou cerca de US $ 150 para criar uma cadeia de 1.000 nucleotídeos sintetizados. O sequenciamento de um milhão de nucleotídeos custa cerca de um centavo.
O interesse em armazenamento de dados da Microsoft e da Micron pode ser apenas o impulso necessário para começar a cortar custos, diz Seelig. Engenharia inteligente e novas tecnologias como microfluídica e sequenciamento de DNA nanopore, que ajudam a reduzir e acelerar o processo, também ajudarão no avanço. Agora leva horas para sequenciar várias centenas de pares de bases - e dias para sintetizá-los - usando um monte de equipamentos. Eu gostaria de poder fazer tudo isso em uma pequena caixa, caso contrário, a vantagem da densidade de armazenamento seria perdida.
Se tudo correr bem, Strauss prevê que as empresas ofereçam serviços de preservação de DNA arquivístico na próxima década. “Você pode abrir um navegador e fazer upload de arquivos para o site ou recuperar seus bytes como faria na nuvem”, diz ela. Ou você pode comprar um disco de DNA em vez de um disco rígido.
ILYA KHEL
