Investigadores de Microsoft y la Universidad de Washington han demostrado el primer sistema de ADN de solo lectura totalmente automatizado en ADN creado artificialmente. Este es un paso clave para mover nuevas tecnologías de los laboratorios de investigación a los centros de datos comerciales.
Los desarrolladores confirmaron el concepto con una prueba simple: codificaron con éxito la palabra "hola" en fragmentos de una molécula de ADN sintético y la convirtieron nuevamente a datos digitales utilizando un sistema de extremo a extremo totalmente automatizado, que se describe en un artículo publicado el 21 de marzo en Nature Scientific Reports.
Este artículo está en nuestro sitio.En las moléculas de ADN, puede almacenar información digital con una densidad muy alta, es decir, en el espacio físico, que es muchos órdenes de magnitud más pequeño que el que ocupan los centros de datos modernos. Esta es una de las soluciones prometedoras para almacenar una gran cantidad de datos que el mundo genera todos los días, desde registros comerciales y videos con lindos animales hasta imágenes médicas e imágenes del espacio.
Microsoft está explorando formas de cerrar la brecha potencial entre la cantidad de datos que producimos y queremos almacenar y nuestra capacidad de almacenarlos. Entre estos métodos se encuentra el desarrollo de algoritmos y tecnologías de computación molecular para codificar datos en ADN artificial . Esto permitiría que toda la información almacenada en un gran centro de datos moderno se ajuste a un espacio aproximadamente igual al tamaño de varios dados.
"Nuestro objetivo principal es poner en funcionamiento un sistema que para el usuario final se verá casi igual que cualquier otro sistema de almacenamiento en la nube: la información se envía al centro de datos y se almacena allí, y luego simplemente aparece cuando el cliente la necesita", dice el senior La investigadora de Microsoft Karin Strauss. "Para esto, necesitábamos demostrar que tiene sentido práctico desde el punto de vista de la automatización".
La información se almacena en moléculas de ADN sintéticas creadas en el laboratorio, y no en el ADN de humanos u otros seres vivos, y puede cifrarse antes de enviarse al sistema. Aunque las máquinas complejas, como los sintetizadores y los secuenciadores, ya realizan partes clave del proceso, muchos de los pasos intermedios aún requieren trabajo manual en el laboratorio de investigación. "Esto no es adecuado para uso comercial", dijo Chris Takahashi, miembro de la Escuela Paul Allen de Ciencias de la Computación e Ingeniería de la Universidad de los Estados Unidos ( Escuela Paul G. Allen de Ciencias de la Computación e Ingeniería ).
"Las personas con cuentagotas no pueden correr por el centro de datos, con este enfoque, la probabilidad de error humano es demasiado alta, es demasiado costosa y requiere demasiado espacio", explicó Takahashi.
Para que este método de almacenamiento de datos tenga sentido desde un punto de vista comercial, es necesario reducir el costo de la síntesis de ADN: la creación de bloques de construcción fundamentales con secuencias significativas y el proceso de secuenciación, que es necesario para leer la información almacenada. Los investigadores dicen que hay un rápido desarrollo en esta dirección.
Según los investigadores de Microsoft, la automatización es otra parte clave de este rompecabezas, que le permite organizar el almacenamiento de datos a escala comercial y hacerlo más accesible.
Bajo ciertas condiciones, el ADN puede durar mucho más que las modernas herramientas de almacenamiento de archivos que han sido destruidas por décadas. Algunos ADN lograron sobrevivir en condiciones lejos de ser ideales durante decenas de miles de años, en los colmillos de mamut y en los huesos de los primeros humanos. Por lo tanto, los datos pueden almacenarse de esta manera, mientras exista la humanidad.
El sistema automatizado de almacenamiento de ADN utiliza software desarrollado por Microsoft y la Universidad de Washington (UW). Convierte las unidades y ceros de los datos digitales en secuencias de nucleótidos (A, T, C y G), que son los "bloques de construcción" del ADN. Luego, el sistema utiliza equipos de laboratorio económicos, en su mayoría estándar, para suministrar los fluidos y reactivos necesarios al sintetizador, que recoge los fragmentos de ADN preparados y los coloca en un tanque de almacenamiento.
Cuando el sistema necesita extraer información, agrega otras sustancias químicas para preparar adecuadamente el ADN y utiliza bombas microfluídicas para empujar líquidos hacia aquellas partes del sistema que leen las secuencias de las moléculas de ADN y las convierten nuevamente en información legible por computadora. Los investigadores dicen que el objetivo del proyecto no era demostrar que el sistema puede funcionar de manera rápida o económica, sino simplemente demostrar que la automatización es posible.
Una de las ventajas más obvias de un sistema automatizado de almacenamiento de ADN es que libera a los científicos para resolver problemas complejos, eliminando la necesidad de perder el tiempo buscando botellas de reactivos o agregando monótono gotas de líquido a los tubos de ensayo.
"Tener un sistema automatizado para realizar trabajos repetitivos permite al personal del laboratorio investigar directamente, desarrollar nuevas estrategias para innovar más rápido", dijo el investigador de Microsoft Bihlin Nguyen.
El equipo del Laboratorio de Sistemas de Información Molecular (MISL) ya ha demostrado que pueden almacenar fotos felinas, grandes obras literarias, videos y registros de archivo en el ADN y recuperar estos archivos sin errores. Hasta la fecha, han podido guardar 1 gigabyte de datos en el ADN, rompiendo el récord mundial anterior de 200 MB .
Los investigadores también desarrollaron métodos para realizar cálculos significativos , como buscar y recuperar solo imágenes que tienen una manzana o una bicicleta verde, utilizando las propias moléculas para hacer esto, sin convertir los archivos a formato digital.
“Es seguro decir que estamos presenciando el nacimiento de un nuevo tipo de sistema informático en el que las moléculas se utilizan para almacenar datos, y la electrónica se utiliza para el control y el procesamiento. Esta combinación abre oportunidades muy interesantes para el futuro ", dijo Louis Sese, profesor de la Escuela Allen de la Universidad de Washington.
A diferencia de los sistemas informáticos basados en silicio, los sistemas informáticos y de almacenamiento basados en ADN deben usar líquidos para mover moléculas. Pero los líquidos son inherentemente diferentes de los electrones y requieren soluciones técnicas completamente nuevas.
El equipo de la Universidad de Washington, en colaboración con Microsoft, también está desarrollando un sistema programable que automatiza los experimentos de laboratorio utilizando las propiedades de la electricidad y el agua para mover las gotas en una red de electrodos. La gama completa de software y hardware, conocida como Puddle y PurpleDrop , puede mezclar, separar, calentar o enfriar varios fluidos y ejecutar protocolos de laboratorio.
El objetivo es automatizar los experimentos de laboratorio que actualmente se llevan a cabo manualmente o por robots caros de manejo de líquidos y reducir los costos.
Los siguientes pasos para el equipo MISL incluyen la integración de un sistema automatizado simple de extremo a extremo con tecnologías como Purple Drop, así como otras tecnologías que le permiten buscar en moléculas de ADN. Los investigadores han hecho específicamente que su sistema automatizado sea modular para que pueda evolucionar como nuevas tecnologías para la síntesis, secuenciación y trabajo del ADN.
"Una de las ventajas de este sistema es que si queremos reemplazar una de las partes con algo nuevo, mejor o más rápido, simplemente podemos conectar una nueva parte", dijo Nguyen. "Nos da una gran flexibilidad para el futuro".
Imagen superior: Investigadores de Microsoft y la Universidad de Washington grabaron y leyeron la palabra hola usando el primer sistema de almacenamiento de datos de ADN totalmente automatizado. Este es un paso clave en la transferencia de nueva tecnología de laboratorios a centros de datos comerciales.