{"id":482522,"date":"2023-06-22T23:58:04","date_gmt":"2023-06-23T02:58:04","guid":{"rendered":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=482522"},"modified":"2023-06-23T00:29:29","modified_gmt":"2023-06-23T03:29:29","slug":"adn-sintetico-podra-almacenar-datos-digitales","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/adn-sintetico-podra-almacenar-datos-digitales\/","title":{"rendered":"ADN sint\u00e9tico podr\u00e1 almacenar datos digitales"},"content":{"rendered":"
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L\u00e9o Ramos Chaves\u2009\/\u2009Revista Pesquisa FAPESP<\/span>Un m\u00f3dulo con componentes de la reacci\u00f3n de s\u00edntesis de ADN en el laboratorio del IPT, en S\u00e3o PauloL\u00e9o Ramos Chaves\u2009\/\u2009Revista Pesquisa FAPESP<\/span><\/p><\/div>\n

La explosi\u00f3n de datos en todo el mundo, generados por diversos dispositivos y en los m\u00e1s variados contextos, ha llevado a los cient\u00edficos a estudiar el uso de versiones sint\u00e9ticas de ADN para almacenar la informaci\u00f3n digital. El ADN, o \u00e1cido desoxirribonucleico, es el sistema de almacenamiento de datos de la mayor\u00eda de los seres vivos. Se trata de una mol\u00e9cula presente en todas las c\u00e9lulas y que contiene la informaci\u00f3n gen\u00e9tica de un organismo. Gracias al estudio de materiales gen\u00e9ticos como el ADN preservado en la naturaleza, ha sido posible acceder a la informaci\u00f3n biol\u00f3gica de los neandertales, hom\u00ednidos que se extinguieron hace m\u00e1s de 30.000 a\u00f1os, y de los mamuts, que habitaron el planeta hace m\u00e1s de 1 mill\u00f3n de a\u00f1os.<\/p>\n

Los beneficios potenciales de esta nueva tecnolog\u00eda son considerables. Seg\u00fan DNA Data Storage Alliance, una asociaci\u00f3n que agrupa a empresas de tecnolog\u00eda de todo el mundo con el objetivo de impulsar el ecosistema de investigaci\u00f3n e innovaci\u00f3n de esta t\u00e9cnica, la capacidad de almacenamiento de datos del ADN es 115.000 veces superior a la de los soportes magn\u00e9ticos que se emplean hoy en d\u00eda en los centros de procesamiento de datos, los denominados data centers<\/em>. En el mismo espacio f\u00edsico que ocupa un cartucho de cinta magn\u00e9tica LTO-9, capaz de almacenar 18 terabytes (TB), es decir, 18 billones de bytes, es posible guardar en ADN unos 2 millones de TB.<\/p>\n

\u201cEl data center<\/em> de Facebook en Oregon (EE. UU.), ocupa una superficie estimada de decenas de miles de metros cuadrados [m2<\/sup>], el equivalente a un gran shopping center<\/em>, para almacenar una cantidad de datos de alrededor de 1 mill\u00f3n de TB. Ese mismo contenido podr\u00eda almacenarse en tan solo 5 gramos de ADN, en un dispositivo que cabr\u00eda en la palma de una mano\u201d, compara el ingeniero electr\u00f3nico Bruno Marinaro Verona, gerente del Laboratorio de Microfabricaci\u00f3n del Instituto de Investigaciones Tecnol\u00f3gicas (IPT) de S\u00e3o Paulo, quien lidera un proyecto de investigaci\u00f3n en el \u00e1rea en Brasil.<\/p>\n

M\u00e1s all\u00e1 de la densidad, el almacenamiento en ADN re\u00fane otros atributos importantes. \u201cEs un sistema sostenible desde una perspectiva ambiental\u201d, subraya el ingeniero electr\u00f3nico Luis Ceze, de S\u00e3o Paulo, docente de la Escuela Paul G. Allen de Ciencia de la Computaci\u00f3n e Ingenier\u00eda de la Universidad de Washington, en Estados Unidos. Los centros de procesamiento de datos insumen una enorme cantidad de energ\u00eda para poder mantener en funcionamiento los equipos y la climatizaci\u00f3n adecuada de las dependencias en donde los archivos se conservan en discos r\u00edgidos (HD) y cintas magn\u00e9ticas. En cambio, el ADN puede conservarse a temperatura ambiente. Asimismo, los medios de almacenamiento magn\u00e9tico actuales se fabrican con insumos procedentes de la miner\u00eda de tierras raras y derivados del petr\u00f3leo, y requieren un reemplazo peri\u00f3dico, en un plazo m\u00e1ximo de 30 a\u00f1os. Los cient\u00edficos estiman que los datos digitales almacenados en ADN ser\u00e1n legibles durante miles de a\u00f1os.<\/a><\/p>\n<\/div>

\n \n \n \n <\/picture>Rodrigo Cunha \/ Revista Pesquisa FAPESP<\/span><\/div>
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La evoluci\u00f3n de los procesos de almacenamiento de datos digitales es necesaria ante la gigantesca cantidad de informaci\u00f3n digitalizada generada por el uso creciente de las tecnolog\u00edas de la informaci\u00f3n (TI), es decir, el uso de computadoras y tel\u00e9fonos inteligentes para generar, procesar e intercambiar todo tipo de datos. Seg\u00fan un informe de la consultora estadounidense IDC, en 2010 se generaron en todo el mundo 3 zettabytes (un 3 seguido de 21 ceros) de datos nuevos y copias de seguridad (backups<\/em>). En 2020, este total salt\u00f3 a 64 zettabytes (ZB) y las proyecciones indican que dentro de dos a\u00f1os se llegar\u00e1 a 180 ZB.<\/p>\n

Tal como se\u00f1ala DNA Data Storage Alliance, este es tan solo el principio de lo que se ha dado en llamar era de la informaci\u00f3n, en la que la inteligencia artificial e internet de las cosas estar\u00e1n cada vez m\u00e1s presentes en todas las actividades cotidianas de la gente, desde la salud a la educaci\u00f3n, del comercio a la conducci\u00f3n de un veh\u00edculo o el manejo de una f\u00e1brica. Seg\u00fan la asociaci\u00f3n, un solo coche aut\u00f3nomo genera 15 TB de datos brutos en un per\u00edodo de ocho horas. No todos estos datos se archivan, pero se conserva una porci\u00f3n significativa para diversas demandas, como la seguridad p\u00fablica y el mantenimiento automotor.<\/p>\n

Hoy en d\u00eda estos datos se archivan utilizando arquitecturas de almacenamiento remoto basadas en la nube. \u201cLos data centers<\/em> consumen alrededor del 1 % de la energ\u00eda el\u00e9ctrica producida en todo el planeta. La industria de la TI prev\u00e9 que el consumo pasar\u00e1 a ser el 30 % de la energ\u00eda producida a nivel mundial en pocos a\u00f1os\u201d, advierte Hildebrando Lima, director de Investigaci\u00f3n y Desarrollo de la empresa Lenovo en Brasil. \u201cEs necesario crear una alternativa que disminuya este impacto, y la t\u00e9cnica de almacenamiento en ADN es la apuesta m\u00e1s prometedora\u201d.<\/p>\n

Los cient\u00edficos implicados en el desarrollo de la metodolog\u00eda de almacenamiento en ADN reconocen que esta soluci\u00f3n tardar\u00e1 en estar disponible para el p\u00fablico. Las previsiones apuntan a la pr\u00f3xima d\u00e9cada. A\u00fan hay incertidumbre en cuanto a los procesos que se utlizar\u00e1n. \u201cLo que podemos afirmar es que el almacenamiento de datos digitales en ADN es viable\u201d, dice la ingeniera electr\u00f3nica brasile\u00f1a Karin Strauss, gerente s\u00e9nior de investigaci\u00f3n de Microsoft Research, en Redmond, Estados Unidos. \u201cYa lo hemos concretado en laboratorio y todo indica que el proceso podr\u00eda llevarse a cabo a escala comercial en forma econ\u00f3mica, pero a\u00fan nos queda mucho por delante hasta alcanzar ese objetivo\u201d. Uno de los fundadores de DNA Data Storage Alliance, Microsoft Research, es el laboratorio de investigaci\u00f3n de la multinacional de TI.<\/p>\n

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L\u00e9o Ramos Chaves\u2009\/\u2009Revista Pesquisa FAPESP<\/span>Prototipo de microchips sintetizadores de mol\u00e9culas de ADN desarrollado por el consorcio IPT-LenovoL\u00e9o Ramos Chaves\u2009\/\u2009Revista Pesquisa FAPESP<\/span><\/p><\/div>\n

La producci\u00f3n de ADN sint\u00e9tico y el almacenamiento de datos en \u00e9l ya son una realidad en la industria de la biotecnolog\u00eda para su uso en el \u00e1rea de la salud, pero la escala de producci\u00f3n es baja y la velocidad del proceso es lenta frente a las necesidades de la industria de TI. \u201cActualmente es posible escribir decenas de megabytes [MB] por segundo en un HD [disco duro] magn\u00e9tico convencional. Pero guardar un solo MB en ADN nos lleva una jornada de trabajo completa\u201d, compara Verona, del IPT. \u201cTodas las investigaciones apuntan al mismo objetivo: establecer las mejores t\u00e9cnicas de almacenamiento de datos en ADN y perfeccionarlas\u201d, a\u00f1ade Ceze, de la Universidad de Washington.<\/p>\n

El proceso de almacenamiento de datos en ADN no requiere de manipulaci\u00f3n gen\u00e9tica ni de c\u00e9lulas de organismos vivos. El ADN se fabrica a trav\u00e9s de una s\u00edntesis qu\u00edmica y cada mol\u00e9cula se produce en la medida exacta en que son generados los archivos de datos. Esto significa que, para guardar 1 TB de informaci\u00f3n, ser\u00e1 necesario sintetizar un conjunto de mol\u00e9culas con esta misma capacidad de almacenamiento (v\u00e9ase la infograf\u00eda<\/em><\/a>).<\/p>\n

Estos nuevos dispositivos estar\u00e1n constituidos por estructuras capaces de sintetizar y secuenciar las cadenas de ADN, que contienen la informaci\u00f3n digital de inter\u00e9s. Una de las posibilidades de dise\u00f1o ser\u00eda que contenga microcavidades de unos pocos nan\u00f3metros de profundidad, en donde se sintetizar\u00edan las mol\u00e9culas de ADN. Los cient\u00edficos denominan bits to base<\/em> a la primera etapa de fabricaci\u00f3n del archivo, que consiste en convertir los bits \u2013el sistema binario 1 y 0 que se utiliza en computaci\u00f3n para representar caracteres, cifras e im\u00e1genes\u2013, mediante programas de inform\u00e1ticos, en las cuatro bases nitrogenadas que componen la mol\u00e9cula de ADN: adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G) (lea en <\/em>Pesquisa FAPESP, edici\u00f3n n\u00ba 235<\/em><\/a>). En la mol\u00e9cula, las bases nitrogenadas tienen la funci\u00f3n de formar los dos filamentos en espiral, lo que se conoce como doble h\u00e9lice, que constituyen el ADN.<\/p>\n

Para ejemplificarlo: los bits 00 pueden codificarse como base A; los bits 01 como base T; los bits 10 como C; y los bits 11 como G. Cuando se desea acceder a los datos y leer los archivos, lo \u00fanico que hay que hacer es decodificarlos, es decir, convertir la base nitrogenada en bits, lo que en la jerga t\u00e9cnica se denomina realizar el base to bits<\/em>. Se puede acceder a la informaci\u00f3n almacenada en ADN v\u00eda internet o localmente. La conversi\u00f3n de bases a bits se efect\u00faa mediantr un proceso computarizado y \u00e1gil, aunque por ahora m\u00e1s lento que el tiempo de lectura de los archivos magn\u00e9ticos tradicionales.<\/p>\n

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L\u00e9o Ramos Chaves\u2009\/\u2009Revista Pesquisa FAPESP<\/span>Preparaci\u00f3n de reactivos para su inyecci\u00f3n en el dispositivo de s\u00edntesis de ADN del Laboratorio de Microfabricaci\u00f3n del IPTL\u00e9o Ramos Chaves\u2009\/\u2009Revista Pesquisa FAPESP<\/span><\/p><\/div>\n

El principal reto que deben resolver los investigadores consiste en mejorar los m\u00e9todos de s\u00edntesis qu\u00edmica empleados para escribir los c\u00f3digos en las bases nitrogenadas y, simult\u00e1neamente, producir las mol\u00e9culas de ADN sint\u00e9tico.<\/p>\n

Existen dos procesos de bioingenier\u00eda establecidos. El m\u00e1s antiguo es la s\u00edntesis qu\u00edmica de fosforamidita, creada en la d\u00e9cada de 1980 por el bioqu\u00edmico estadounidense Marvin H. Caruthers. Es el proceso predominante para las aplicaciones en biomedicina. El otro camino posible es la s\u00edntesis enzim\u00e1tica, que ha venido siendo perfeccionada por varios grupos de investigaci\u00f3n durante los \u00faltimos 15 a\u00f1os, pero a\u00fan no ha alcanzado escala comercial.<\/p>\n

La s\u00edntesis enzim\u00e1tica utiliza mol\u00e9culas org\u00e1nicas proteicas que funcionan como catalizadoras de las reacciones qu\u00edmicas, en otras palabras, aceleran la velocidad de los procesos. Una ventaja de este proceso reside en el uso de reactivos acuosos no t\u00f3xicos. As\u00ed se genera un menor impacto ambiental comparado con la s\u00edntesis por fosforamidita, que emplea reactivos f\u00f3siles. Para Ceze, la s\u00edntesis enzim\u00e1tica, una tecnolog\u00eda a\u00fan incipiente, posee un mayor potencial de evoluci\u00f3n y ha de prevalecer.<\/p>\n

En Microsoft se investigan las tecnolog\u00edas de almacenamiento en ADN desde 2015, en colaboraci\u00f3n con el Laboratorio de Sistemas de Informaci\u00f3n Molecular de la Universidad de Washington. Entre los diversos estudios conjuntos que generaron art\u00edculos cient\u00edficos, Strauss destaca dos. En 2019, un paper<\/em> publicado en la revista Nature Scientific Reports<\/em> apunt\u00f3 la factibilidad de automatizar la s\u00edntesis qu\u00edmica, prescindiendo del laborioso proceso de pipeteo (transferencia de l\u00edquidos) manual del ADN, tal como viene haci\u00e9ndose hasta ahora. \u201cLa automatizaci\u00f3n permitir\u00e1 escalar la producci\u00f3n y reducir los costos del proceso de almacenamiento en ADN\u201d, estima la investigadora.<\/p>\n

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Meg Roussos\u2009\/\u2009Bloomberg via Getty Images<\/span>El centro de procesamiento de datos de Facebook en Prineville, Oregon [EE. UU.]Meg Roussos\u2009\/\u2009Bloomberg via Getty Images<\/span><\/p><\/div>En 2021, otro art\u00edculo conjunto de las dos instituciones publicado en la revista Science Advances<\/em> present\u00f3 un sistema de grabaci\u00f3n de ADN a nanoescala que se vale de un m\u00e9todo de control del ambiente molecular capaz de permitir la generaci\u00f3n simult\u00e1nea (en paralelo) de una gran cantidad de secuencias de ADN exclusivas. \u201cEl resultado presentado en este trabajo fue la miniaturizaci\u00f3n de la unidad de escritura de una secuencia y del proceso qu\u00edmico que la controla, de manera tal que quepan m\u00e1s de estas unidades en un mismo chip\u201d, destaca Strauss. Las cadenas actuales no superan las 300 bases nitrogenadas, lo que significa que se graban menos de 30 bytes (un conjunto de ocho bits) por secuencia.<\/p>\n

En Brasil, el \u00fanico grupo de investigaci\u00f3n que forma parte de la Alianza para el Almacenamiento de Datos en ADN es el resultado de una asociaci\u00f3n entre el IPT y el fabricante chino de dispositivos electr\u00f3nicos Lenovo. Este proyecto, bautizado Prometheus, se puso en marcha en 2021 bajo la coordinaci\u00f3n de Verona. El equipo multidisciplinario est\u00e1 compuesto por 40 investigadores, 13 de ellos mag\u00edsteres y 21 doctores, entre los que se cuentan bi\u00f3logos e ingenieros de computaci\u00f3n, moleculares, qu\u00edmicos y de materiales. El IPT es el \u00fanico colaborador mundial de Lenovo para el desarrollo de tecnolog\u00edas de almacenamiento en ADN.<\/p>\n

Seg\u00fan Lima, de Lenovo, esta alianza ha generado cuatro dep\u00f3sitos de patentes internacionales, una de ellas resultado del trabajo del equipo de codificaci\u00f3n y decodificaci\u00f3n de los datos, dos en s\u00edntesis qu\u00edmica y una en s\u00edntesis enzim\u00e1tica. \u201cTenemos otras seis investigaciones en proceso y pronto alcanzar\u00e1n la fase de solicitud de patente\u201d, revela el ejecutivo.<\/p>\n

Verona estima que la tecnolog\u00eda de almacenamiento de datos en ADN ir\u00e1 avanzando gradualmente y, en un primer momento, no estar\u00eda disponible para computadoras y tel\u00e9fonos inteligentes. De entrada, las soluciones estar\u00e1n orientadas a lo que se denomina almacenamiento en fr\u00edo, compuesto por datos a los que los usuarios no acceden habitualmente en su vida cotidiana \u2013una especie de archivo muerto digital\u2013, como historiales de todo tipo, \u00e1lbumes de fotos y videos. En los centros de procesamiento de datos actuales, estos archivos se almacenan en cintas magn\u00e9ticas.<\/p>\n

Los datos de acceso frecuente, los llamados datos calientes, actualmente se archivan en HD. \u201cTodav\u00eda no hay una proyecci\u00f3n fiable sobre cu\u00e1ndo el almacenamiento en ADN ser\u00e1 capaz de erigirse como una alternativa para el almacenamiento de datos calientes\u201d, dice Verona. Para Ceze, en el futuro varios sistemas de almacenamiento de datos convivir\u00e1n en simult\u00e1neo, lo que har\u00e1 posible un mejor aprovechamiento de sus respectivas caracter\u00edsticas para cada finalidad.<\/p>\n

Art\u00edculos cient\u00edficos
\n<\/strong>TAKAHASHI, C. N. et al<\/em>. Demonstration of end-to-end automation of DNA data storage<\/a>. Nature Scientific Reports<\/strong>. 21 mar. 2019.
\nNGUYEN, B. H. et al<\/em>. Scaling DNA data storage with nanoscale electrode wells<\/a>. Science Advances<\/strong>. 24 nov. 2021.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Un dispositivo inspirado en la mol\u00e9cula que contiene nuestro c\u00f3digo gen\u00e9tico llevar\u00e1 a la miniaturizaci\u00f3n de soportes y asegurar\u00e1 la integridad de la informaci\u00f3n durante mucho m\u00e1s tiempo","protected":false},"author":538,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[192],"tags":[278,306,1169],"coauthors":[1346],"class_list":["post-482522","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-tecnologia-es","tag-biologia-es","tag-genetica-es","tag-matematica-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/482522","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/538"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=482522"}],"version-history":[{"count":5,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/482522\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":483108,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/482522\/revisions\/483108"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=482522"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=482522"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=482522"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=482522"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}