Com um “olá”, a Microsoft e a Universidade de Washington demonstram o primeiro armazenamento de dados de DNA totalmente automatizado
O artigo armazenamento em DNA: o fim do HD e do Pen Drive? Explora o avanço da Microsoft e da Universidade de Washington no primeiro sistema totalmente automatizado de armazenamento de dados usando DNA, prometendo um futuro de alta eficiência e durabilidade.
Pesquisadores da Microsoft e da Universidade de Washington demonstraram o primeiro sistema totalmente automatizado para armazenar e recuperar dados em DNA fabricado — um passo importante para mover a tecnologia do laboratório de pesquisa para datacenters comerciais.
A Microsoft está explorando maneiras de fechar a lacuna iminente entre a quantidade de dados que estamos produzindo e que precisam ser preservados e nossa capacidade de armazená-los. Isso inclui o desenvolvimento de algoritmos e tecnologias de computação molecular para codificar e recuperar dados em DNA fabricado, o que poderia acomodar todas as informações atualmente armazenadas em um centro de dados do tamanho de um armazém em um espaço aproximadamente do tamanho de alguns dados de jogos de tabuleiro.
"O nosso objetivo final é colocar um sistema em produção que, para o usuário final, pareça muito semelhante a qualquer outro serviço de armazenamento em nuvem — bits são enviados para um centro de dados e armazenados lá, e então eles simplesmente aparecem quando o cliente os deseja", disse Karin Strauss, pesquisadora principal da Microsoft. "Para fazer isso, precisávamos provar que isso é viável do ponto de vista da automação."
As informações são armazenadas em moléculas de DNA sintético criadas em laboratório, não em DNA de humanos ou outros seres vivos, e podem ser criptografadas antes de serem enviadas para o sistema.
Embora máquinas sofisticadas, como sintetizadores e sequenciadores, já realizem partes essenciais do processo, muitos dos passos intermediários até agora exigiam trabalho manual no laboratório de pesquisa.
Mas isso não seria viável em um ambiente comercial, disse Chris Takahashi, cientista sênior de pesquisa da Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering da Universidade de Washington.
"Você não pode ter um monte de pessoas correndo em um centro de dados com pipetas — é muito suscetível a erros humanos, muito caro, e a pegada seria muito grande", disse Takahashi.
Para que a técnica faça sentido como uma solução comercial de armazenamento, os custos precisam diminuir tanto para a síntese de DNA — essencialmente construir fitas personalizadas com sequências significativas — quanto para o processo de sequenciamento que extrai as informações armazenadas. As tendências estão avançando rapidamente nessa direção, dizem os pesquisadores.
Sob as condições adequadas, o DNA pode durar muito mais tempo do que as tecnologias atuais de armazenamento arquivístico, que se degradam em algumas décadas. Alguns DNAs conseguiram persistir em condições de armazenamento menos que ideais por dezenas de milhares de anos em presas de mamutes e ossos de humanos primitivos, e ele deverá continuar relevante enquanto houver pessoas vivas.
A automação é outra peça-chave desse quebra-cabeça, pois permitiria o armazenamento em escala comercial e o tornaria mais acessível, afirmam os pesquisadores da Microsoft.
Quando o sistema precisa recuperar as informações, ele adiciona outros produtos químicos para preparar adequadamente o DNA e utiliza bombas microfluídicas para conduzir os líquidos a outras partes do sistema que “leem” as sequências de DNA e as convertem de volta em informações que um computador pode entender. O objetivo do projeto não era provar a rapidez ou o baixo custo do sistema, dizem os pesquisadores, mas simplesmente demonstrar que a automação é possível.
O sistema automatizado de armazenamento de dados em DNA usa um software desenvolvido pela equipe da Microsoft e da Universidade de Washington que converte os números uns e zeros dos dados digitais em As, Ts, Cs e Gs, que compõem os blocos de construção do DNA. Em seguida, usa equipamentos de laboratório relativamente baratos e prontos para uso e conduzir os líquidos e produtos químicos necessários a um sintetizador que constrói fragmentos de DNA fabricados e os empurra para um recipiente de armazenamento.
Um benefício imediato de ter um sistema automatizado de armazenamento em DNA é que ele libera os pesquisadores para explorar questões mais profundas, em vez de gastar tempo procurando frascos de reagentes ou repetidamente pingando gotas de líquidos em tubos de ensaio.
"Ter um sistema automatizado para fazer o trabalho repetitivo permite que aqueles de nós que trabalham no laboratório assumam uma visão mais ampla e comecem a montar novas estratégias — essencialmente inovando muito mais rápido", disse a pesquisadora da Microsoft Bichlien Nguyen.
A equipe do Laboratório de Sistemas de Informação Molecular já demonstrou que pode armazenar fotografias de gatos, grandes obras literárias, videoclipes de música pop e gravações arquivísticas em DNA, e recuperar esses arquivos sem erros em um ambiente de pesquisa. Até o momento, eles conseguiram armazenar 1 gigabyte de dados em DNA, superando seu recorde mundial anterior de 200 MB.
Para armazenar dados em DNA, algoritmos convertem os 1s e 0s dos dados digitais em sequências ACTG no DNA. Pesquisadores da Microsoft e da Universidade de Washington armazenaram e recuperaram a palavra “hello” usando o primeiro sistema totalmente automatizado para armazenamento em DNA.
Os pesquisadores também desenvolveram técnicas para realizar cálculos significativos — como buscar e recuperar apenas imagens que contenham uma maçã ou uma bicicleta verde — usando as próprias moléculas, sem precisar converter os arquivos de volta para um formato digital.
"Estamos definitivamente vendo um novo tipo de sistema de computador nascer aqui, onde você usa moléculas para armazenar dados e eletrônicos para controle e processamento. Juntá-los oferece possibilidades realmente interessantes para o futuro", disse Luis Ceze, professor da Allen School da Universidade de Washington.
Ao contrário dos sistemas de computação baseados em silício, os sistemas de armazenamento e computação baseados em DNA precisam usar líquidos para movimentar moléculas. No entanto, os fluidos são inerentemente diferentes dos elétrons e exigem soluções de engenharia completamente novas.
A equipe da Universidade de Washington, em colaboração com a Microsoft, também está desenvolvendo um sistema programável que automatiza experimentos de laboratório, aproveitando as propriedades da eletricidade e da água para mover gotas em uma grade de eletrodos.
O conjunto completo de software e hardware, apelidado de “Puddle” e “PurpleDrop”, pode misturar, separar, aquecer ou resfriar diferentes líquidos e executar protocolos de laboratório.
O objetivo é automatizar experimentos de laboratório que atualmente são realizados manualmente ou por robôs caros de manipulação de líquidos — mas por uma fração do custo.
Os próximos passos para a equipe do MISL incluem integrar o sistema simples e automatizado de ponta a ponta com tecnologias como PurpleDrop e aquelas que permitem buscas usando moléculas de DNA. Os pesquisadores projetaram o sistema automatizado de forma modular, permitindo que ele evolua conforme novas tecnologias surjam para síntese, sequenciamento ou manipulação de DNA.
"O que é ótimo neste sistema é que, se quisermos substituir uma das partes por algo novo, melhor ou mais rápido, podemos simplesmente encaixar isso", disse Nguyen. "Isso nos dá muita flexibilidade para o futuro."
Indicação de Leitura
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Autor: Fernando Giannini
Autora: Jennifer Langston
Fonte: Microsoft
Artigo original: bit.ly/4eNazR1
