Imagine a "Suíte para Violoncelo No. 1" de Bach tocada em uma fita de DNA.
Esse cenário não é tão impossível quanto parece. Muito pequeno para suportar uma batida rítmica ou uma corda de arco deslizante, o DNA é uma potência para armazenar arquivos de áudio e todos os tipos de outras mídias.

"O DNA é o sistema de armazenamento de dados original da natureza. Podemos usá-lo para armazenar qualquer tipo de dados:imagens, vídeos, músicas — qualquer coisa", disse Kasra Tabatabaei, pesquisadora do Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada e coautora do este estudo.

Expandir a composição molecular do DNA e desenvolver um novo método de sequenciamento preciso permitiu que uma equipe multi-institucional transformasse a dupla hélice em uma plataforma de armazenamento de dados robusta e sustentável.

O artigo da equipe apareceu em Nano Letters em fevereiro de 2022.

Na era da informação digital, qualquer pessoa corajosa o suficiente para navegar pelas notícias diárias sente que o arquivo global fica mais pesado a cada dia. Cada vez mais, os arquivos em papel estão sendo digitalizados para economizar espaço e proteger as informações contra desastres naturais.

De cientistas a influenciadores de mídia social, qualquer pessoa com informações para armazenar pode se beneficiar de uma caixa de bloqueio de dados segura e sustentável – e a dupla hélice se encaixa na conta.

“O DNA é uma das melhores opções, se não a melhor opção, para armazenar dados de arquivo especialmente”, disse Chao Pan, estudante de pós-graduação da Universidade de Illinois Urbana-Champaign e coautor deste estudo.

Sua longevidade rivaliza apenas com a durabilidade, o DNA é projetado para resistir às condições mais severas da Terra – às vezes por dezenas de milhares de anos – e permanecer uma fonte de dados viável. Os cientistas podem sequenciar filamentos fossilizados para descobrir histórias genéticas e dar vida a paisagens há muito perdidas.

Apesar de sua estatura diminuta, o DNA é um pouco como a infame cabine policial do Dr. Who:maior por dentro do que parece.

"Todos os dias, vários petabytes de dados são gerados na internet. Apenas um grama de DNA seria suficiente para armazenar esses dados. É assim que o DNA é denso como meio de armazenamento", disse Tabatabaei, que também é Ph. D. aluna.

Outro aspecto importante do DNA é sua abundância natural e renovabilidade quase infinita, uma característica não compartilhada pelo sistema de armazenamento de dados mais avançado do mercado hoje:microchips de silício, que muitas vezes circulam por apenas décadas antes de serem enterrados sem cerimônia em um monte de lixo depositado em aterros. -desperdício.

"Em um momento em que enfrentamos desafios climáticos sem precedentes, a importância das tecnologias de armazenamento sustentável não pode ser superestimada. Novas tecnologias verdes para gravação de DNA estão surgindo e tornarão o armazenamento molecular ainda mais importante no futuro", disse Olgica Milenkovic, a Franklin W. Woeltge Professor de Engenharia Elétrica e de Computação e co-PI no estudo.

Prevendo o futuro do armazenamento de dados, a equipe interdisciplinar examinou o MO milenar do DNA. Em seguida, os pesquisadores adicionaram seu próprio toque do século 21.

Na natureza, cada fita de DNA contém quatro substâncias químicas - adenina, guanina, citosina e timina - muitas vezes referidas pelas iniciais A, G, C e T. Elas se organizam e se reorganizam ao longo da dupla hélice em combinações que os cientistas podem decodificar , ou sequência, para fazer sentido.

Os pesquisadores expandiram a já ampla capacidade do DNA para armazenamento de informações, adicionando sete nucleobases sintéticas à linha de quatro letras existente.

"Imagine the English alphabet. If you only had four letters to use, you could only create so many words. If you had the full alphabet, you could produce limitless word combinations. That's the same with DNA. Instead of converting zeroes and ones to A, G, C, and T, we can convert zeroes and ones to A, G, C, T, and the seven new letters in the storage alphabet," Tabatabaei said.

Because this team is the first to use chemically modified nucleotides for information storage in DNA, members innovated around a unique challenge:Not all current technology is capable of interpreting chemically modified DNA strands. To solve this problem, they combined machine learning and artificial intelligence to develop a first-of-its-kind DNA sequence readout processing method.

Their solution can discern modified chemicals from natural ones, and differentiate each of the seven new molecules from one another.

"We tried 77 different combinations of the 11 nucleotides, and our method was able to differentiate each of them perfectly," Pan said. "The deep learning framework as part of our method to identify different nucleotides is universal, which enables the generalizability of our approach to many other applications."

This letter-perfect translation comes courtesy of nanopores:proteins with an opening in the middle through which a DNA strand can easily pass. Remarkably, the team found that nanopores can detect and distinguish each individual monomer unit along the DNA strand—whether the units have natural or chemical origins.

"This work provides an exciting proof-of-principle demonstration of extending macromolecular data storage to non-natural chemistries, which hold the potential to drastically increase storage density in non-traditional storage media," said Charles Schroeder, the James Economy Professor of Materials Science and Engineering and a co-PI on this study.

DNA literally made history by storing genetic information. By the looks of this study, the future of data storage is just as double-helical. + Explorar mais

Using DNA-like punch cards to store data